Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Данилевич, Я. Б. Добавочные потери в турбо- и гидрогенераторах

.pdf
Скачиваний:
7
Добавлен:
20.10.2023
Размер:
8.39 Mб
Скачать

Радиальная составляющая поля с учетом влияния

зазора иа

поле

обмотки ротора

 

р

 

 

 

 

 

 

 

 

я , » , = Я у » о т 7 7 .

(6-Ю)

где,

как и выше, ^ 2 =

т~ ^ г & ^ г -

 

Результирующее

поле

В определяется по (6. 2).

 

Расчетная величина В

с учетом отгиба лобовых частей обмотки

статора в плоскости

yz

 

 

 

 

 

В,,

(6.11)

где а — угол отгиба лобовых частей.

 

 

 

 

 

 

Т а б л и ц а 6-1

Радиальные составляющие п о л я Ву

иа поверхности лобовой

части

стержней статора

обмотки турбогенератора мощностью 300 Мвт, тл

Координаты

точил

Режим X. X.

Режим к. з.

 

 

 

 

 

(у,

z), см

опыт

расчет

опыт

расчет

 

 

 

 

у =

37.2;

г =

39.0

0.0192

0.0203

0.1320

0.0760

у =

38.6;

z =

43.0

0.0077

0.0168

0.0706

0.0897

6.3. Добавочные потери в меди лобовой части стержня, вызванные тангенциальной составляющей поля

В современных турбогенераторах большой мощности расстоя­ ние между осями рядом расположенных стержней tlx значительно меньше полюсного деления т. Поэтому с достаточной точностью

можно принять

Re\e

х

j œ l . O

и считать поле Вх

в пределах tu

пульсирующим

с постоянной амплитудой.

 

Из рис. 6-1 следует, что

зависимость Bx=f

(у) по высоте-

стержня ZM близка к

прямолинейной

 

 

 

В

= в

4- в - I -

(6.12).

 

 

 

 

 

Тогда для определения потерь в элементарных сплошных проводниках лобовой части стержня, вызываемых Вх, имеем систему уравнений

dSe

 

Mio-ff*

dy

 

р

 

hx

(6. 13),

S

dBx

 

dy

 

 

110

решением которой является выражение вида

2 ?''* ' .

(6. 14)

Граничными условиями для определения постоянных являются:

при

у =

г/д.

 

Я

 

=

1

/

 

+

Вхт

к —

і \

,

 

 

 

 

 

^ 5 Х Л П

——}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

/

 

 

 

к\

 

 

 

 

(6.15)

при

г/ =

Уь +

о.

 

 

 

 

+

Вхт

 

 

 

 

 

 

 

Я,, = —

ХШ

— J

 

 

 

 

 

Здесь п — число элементарных проводников по высоте

стержня,

а — высота проводника.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определив с помощью (6.15) постоянные С1 и С2 , для расчета

потерь в к элементарном проводнике

лобовых

частей

стержня

для участка длиной lj,

на

котором

характер

изменения

индукции

можно считать неизменным, получим выражение

 

 

 

 

 

 

*2 /2 „.

 

1 •

я „

 

(2к~і\

 

(

Вхт

у

A ( f c - l )

оЗЬя Іу .

(6.16)

?npfc— Зр "хп

 

V

 

п

]

^ \ В х т )

#.:

 

 

Суммарные

потери

в лобовых частях обмотки

статора

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

xmj

 

1

В

 

\2"

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

DO

1 •

 

 

 

lj.

(6.17)

млт— 3

*1

 

р

 

 

 

 

В

 

 

з \

яxnilj

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аналогичным образом для случая полых

 

 

 

 

 

 

 

водников

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

+ элементарных

про­

 

4

 

 

ц 2 / 2

 

 

2al)S

 

Ьы1ктп

 

^

 

 

В xmj

 

 

 

<?млт =

"3" z

l - j p -

( а 2 +

 

B*™J

 

 

Jxmj

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.7=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i_ I

Bxmj

2"

 

 

 

 

 

 

 

(6.

18)

 

 

 

 

 

 

+

 

3

\В^„,-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и комбинации

сплошных

и

 

полых

проводников

 

 

 

 

 

 

 

 

4_

TI2/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Смлт =

"з"z

l

р

*>м1

 

 

»II

2(ai6 M l +

a2 6 M 2)"P

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 а і )MlЗ А т

 

 

 

 

 

 

В

 

 

 

 

 

 

 

"іг("2 +

 

 

В2

Я ,xmj+

 

 

 

 

 

" H

2 (аіЬ м і +

а г Ь и 2 ;

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

/

Bxmj

 

 

 

 

 

 

(6.19)

 

 

 

 

 

 

 

 

3

\ Я™, ,•

 

 

 

 

 

 

111

В (6. 18) и (6. 19) ку— коэффициент, учитывающий трубчатое строение проводника (рис. 5-6), ns — число сплошиых и пп число полых проводников по высоте стержня, ЪіЛ — общая тол­ щина меди сплошных проводников по ширине паза, 6м 2 — сум­ марная толщина стенок полого проводника по ширине паза, а± толщина стенки полого проводника, а2 — высота прямоуголь­ ного отверстия полого проводника.

Для случая, когда охлаждающий агент проходит по стальным трубкам, расположенным между столбцами сплошиых элемен­ тарных проводников, потери в элементарных проводниках нахо­ дятся по (6. 17), а в стальных трубках по формуле

4

7і2/2

/

а 3 6

\

 

 

 

 

 

 

 

 

 

^ XDÜJ

 

 

 

 

1 ( B*»v

VI

 

 

 

 

 

Tin—

 

 

(6-20)

Здесь ?гт — число стальных трубок по высоте стержня, ах2

толщина стенки

трубки,

Ьх

— ширина

трубки, а2

— высота

пря­

моугольного отверстия в

трубке.

 

 

 

 

Для турбогенератора

мощностью 300 Мвт потери С м л т , найден­

ные по (6. 19), для режима

короткого

замыкания

при номиналь­

ном токе статора составили 9.0 квт, по общепринятой методике [81 ] — 2.0 квт. Таким образом, расчеты по приближенным фор­ мулам приводят к заниженным величинам потерь.

6.4. Добавочные потери в меди лобовой части стержней, вызванные радиальной составляющей поля

Данные экспериментальных исследований и расчетов радиаль­ ных полей показали, что по ширине стержня радиальное поле моячио считать постоянным, хютя вдоль лобовой части стержня радиальное поле меняется в широких пределах. Поэтому при расчете потерь лобовую часть стержня будем делить на несколько участков, внутри которых поле как по ширине стержня, так и вдоль участка мояшо считать постоянным.

Ширина элементарных проводников Ьм стержней турбо- и гидрогенераторов большой мощности больше их толщины а.

Однако и в этом случае о м < 1 см и а & м - < 1 , где а = | / ^ 2 . В ре­ зультате также можно не учитывать реакции вихревых токов

в элементарных проводниках и считать, что потери вызываются

только внешним полем Врлл неизменной амплитуды.

На поверхности элементарных проводников величина индук­ ции может быть задана в виде

112

-ft-
(—1) 2

4

V

ßy = ^ B m

2

 

ft=l, з , . . .

k-1

Ых

С 0 5 Т ~ -

( 6 - 2 1 >

*

 

В

качестве другого граничного условия для определения потерь

в элементарных

проводниках

можно

принять,

что на

некотором

удалении

от проводника величина Ву

стремится к нулю, т. е.

 

 

 

 

 

 

Ву->0

при у - > со.

 

 

 

 

 

(6. 22)

В

результате

решения уравнений

поля

 

 

 

 

 

 

 

 

, .

 

/шЦп

.

.

 

.

.

 

 

 

 

 

 

 

 

v 2 H = = J _ n . H

d i v

л = 0 ,

5 = rot H

 

 

 

 

для плотности

тока

в

элементарном

проводнике

при

граничных

условиях

(6. 21)-^-(6. 22) получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S.

~w

2І

" л

 

!щ—:

 

 

;

 

s

i n

x ~ '

 

( 6 - 2 3 )

 

 

 

 

 

 

 

 

A-=i,3,...

 

 

5f c |-^-chBt a-(-shBf t

a

 

 

 

 

 

где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k-l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

fcïî\2

іши.»

 

 

4

 

( — 1)

2

 

 

 

При расчете потерь можно пренебречь другой

составляющей

плотности

тока

Sx.

 

обусловленные В , равны

 

 

 

 

 

Удельные потери,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

hi

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

?„Р = Р \ \ lSt\****v**-^i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

о о

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ша0 / / тс \2 /sh 2aa

sin 2Sa \

sh 2aa

'6,,

 

 

 

 

 

 

 

X ^

/ V v

 

 

 

 

^

 

 

 

 

 

• < 6 - 2 4 >

~w\\b~)

^ O H 2

Я А

C

O S

2 ^ A ' + C H

2 A A +

I T

(i3 s i

n 2 ß a + a

s h

2 a

a )

 

 

Полные потери в лобовой части обмотки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

<?.млр =

3 ^

2 ^

Л /

-

 

 

 

 

(6-25)

 

 

 

 

 

 

 

 

J

 

 

 

 

 

 

 

 

где

a==Re(81 ),

ß = J m ( o 1 ) , Z^-— участок

лобовой

 

части

стержня,

для

которого можно

считать

Врлж

= const.

 

 

 

 

 

Потери <2ш р для турбогенератора

мощностью

300 Мвт,

рассчи­

танные по (6. 25) для режима

3-фазного

 

короткого

замыкания, со­

ставили 53.4 квт. При этом В

определялось

по

формулам раз­

дела

6. 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8 Я. Б. Данилевич

И З

(2м л р можно также найти по следующим приближенным форму­ лам.

Считая, что по окружности лобовых частей радиальный поток, создаваемый токами в обмотке статора, изменяется по синусо­ идальному закону, а вдоль вылета лобовой части — по линейному, для максимальной величины индукции на выходе из паза получим

 

іеЛ.

вб

 

 

J.4-10-7

L j !

— 5 - .

(6.26)

 

А

р^х cos а

V см 2

ѵ

'

Здесь Хл — удельная проводимость потока рассеяния лобовой части по отношению к плоскости стали крайнего пакета.

РІндукция Вк в отдельных проводниках будет создавать потери на вихревые токи, величина которых для двуслойной 3-фазной обмотки при р=2 . 2 - 10 _ 6 ом-см и отношении 1 Д , » 1 . 5 будет равна

<?млР. сг ^ 3.8 • 10 ASlfyy

ІдЬ* [пп 2 + 2а,) ft, + пха], вт. (6. 27)

Максимальная величина индукции в лобовых частях от магнит­ ных полей ротора в первом приближении

В ^ В ^ -

-

,

(6.28)

т

h + Ь + 7

 

Считая в первом приближении, что индукция В вдоль вылета лобовых частей изменяется по линейному закону от максималь­ ной величины до нуля, для потерь на вихревые токи в отдельных проводниках получим

<?«р. РОТ « 1.2 . 100 в \ (4")2 h4b\ \nja + » „ (а2 + г) кт], вт. (6. 29)

Расчеты <?м.ір.сх и <?млр.рот п о (6- 27) и (6. 29) для турбогенератора мощностью 300 ІѴІвт дали величины потерь, равные соответственно 38.6 и 21 квт.

Г л а в а 7

Добавочные потери от циркуляционных токов в элементарных проводниках

7 . 1 . Общие замечания

С ростом единичных мощностей турбогенераторов увеличива­ ются добавочные потери в обмотке статора от циркуляционных токов. Использование транспозиции в пазовой части стержня на угол 360° является недостаточным для их уменьшения. Поэ­ тому в мощных турбогенераторах многие фирмы используют

114

более сложные схемы транспозиции для стержней, в частности транспозицию на угол 540° в пазовой части обмотки (рис. 5-2). Такая схема транспозиции позволяет снизить добавочные потери в стержне от циркуляционных токов, наведенных между провод­ никами внешними магнитными полями в торцовых зонах турбо­ генератора.

Однако, как было показано выше, существенное значение имеют также потери от циркуляционных токов, вызванные собственным магнитным полем. Эта составляющая потерь может быть умень­ шена лишь путем транспозиции стержней как в пазовой, так и в лобовых частях. Известны два основных типа схем транспо­

зиции

в лобовой части:

 

 

1)

транспозиция

стержня в пазовой части на угол 360° и в каж­

дой

лобовой части

на угол

180°;

 

2)

транспозиция

стержня в пазовой части на угол 540° и в каж­

дой

лобовой части

на угол

360°.

Первый тип схемы обеспечивает полную компенсацию цирку­ ляционных токов от собственных полей рассеяния и частичную компенсацию этих токов от внешних полей рассеяния в торцовой зоне машины.

Второй тип схемы, хотя и обеспечивает полную компенсацию циркуляционных токов от собственных и внешних магнитных полей, но по сравнению с первым типом более сложен и трудно выполним в реальных обмотках из-за повышения вероятности повреждения изоляции элементарных проводников при изготов­ лении стержней.

Ниже рассмотрим определение потерь от циркуляционных токов, вызванных собственным магнитным полем в лобовых час­ тях при транспозиции в пазовой части стержня в 540°, а также внешними полями при транспозиции в пазовой части на угол 360° и в каждой лобовой части иа угол 180°.

7.2. Параметры контуров для циркуляционных токов

Для выяснения величин параметров контуров, образуемых элементарными проводниками, были проведены эксперименталь­

ные исследования *

на

натурных стержнях турбогенератора

мощностью

150

Мвт.

Стержни были выполнены с транспозицией

в пазовой

части

на

360

и 540° и при исследовании помещались

в специальный макет, представляющий собой сектор сердечника статора. Для удобства измерений сопротивлений контуров стержни были изготовлены без напайки головок.

Для определения параметров к контурам, образованным двумя элементарными проводниками, подводился переменный ток 50 гц.

*Экспериментальные исследования выполнены к. т. н. ІО. А. Бобковым

иинж . В . М. Рудяком (ВНИИэлектромаш).

8*

115

Результаты

определения параметров показали следующее:

все контуры,

образованные сплошными элементарными про­

водниками, имеют одинаковые параметры (отклонения в преде­ лах 5%);

параметры контуров практически не зависят от положения

проводников в стержне, так как индуктивное

сопротивление

контура, образованного крайними

трубчатыми

проводниками,

при температуре 75° составляет 40%

от активного

сопротивления,

а для контура, образованного соседними проводниками, оно в 10— 15 раз меньше;

сопротивление контуров циркуляционных токов можно с боль­ шой степенью точности считать только активным (cos <?—0.97), при этом максимальная величина активного сопротивления со­ ставляет примерно 106 % от величины омического сопротивления.

Поэтому в дальнейшем при расчете потерь параметры контуров циркуляционных токов будем принимать равными их активным сопротивлениям.

Активное сопротивление к-то элементарного проводника будет равно

 

* * = ^ ( * A k + 2 * A f c a ) ,

 

 

(7.1)

где кгк

коэффициент вытеснения для к-то проводника

в пазовой

части,

см. (5. 9), кгкІ — то

же в лобовой

части,

qk

— сечение

к-то проводника.

 

 

 

 

Коэффициент вытеснения

проводника в

лобовой

части может

•быть найден по формулам гл. 6 или приближенно согласно (5. 9), если вместо а использовать

a > = V W * - '

( 7 - 2 )

где tlxCV —- среднее расстояние между осями рядом расположенных стержней в лобовой части обмотки.

7.3. Добавочные потери от циркуляционных токов, вызванные собственными полями рассеяния

влобовых частях

Бгл. 6 была получена кривая распределения тангенциального яоля вдоль стержня и по его высоте.

Из рис. 6-1 следует, что зависимость

Bx—f

(у) по высоте стержня

близка к прямолинейной и Вх может

быть

представлена в виде

(некоторой постоянной величины «внешнего» поля и переменной, изменяющейся по прямолинейному закону величины «собствен­ ного» поля.

Ниже рассматриваются потери от циркуляционных токов, выз­ ванные собственными полями рассеяния. Потери от циркуляцион-

Н6

на 180°.
Т о к . 7 й в к-м. элементарном проводнике, замкнутом на все ос­ тальные проводники верхней половины стержня, определяется разностью эдс Ек и средней величиной эдс индуктированной в остальных проводниках:
Рис. 7-2. Расчетная схема для. определения циркуляционных токов при наличии транспозшиш в пазовой части на 360° и лобовой части
2) представлена на рис. 7-1.
Рис. 7-1. Зависимость эдс между к-ы проводником и осью Oy стержня.
где /с I порядок элементарного проводника, середины стержня.
Зависимость Ek=f

ных

токов, обусловленных внешними

полями,, рассматриваются

в 7.

4.

 

 

 

 

 

Индукция Вх будет

наводить

в

/с-м элементарном

проводник er

эдс,

равную

 

 

 

 

 

 

Sf c

= W 2 / J

а 2

Д

^ у ,

(,7.3)і

 

I

 

 

j

 

 

отсчитываемый от*

2 с

тсѴ2

V -

о

 

J

Имеем

I - а (

гс2\

 

Eb-EQV

^ 2 / - ( А - 2 - ^ )

J

Здесь R — — сопротивление проводников, подклю-

ченных параллельно к к-му проводнику.

Потери от циркуляционных токов в обмотке статора равны

я/2

 

 

<?« = 8 * . m 2 / | Я * ,

• •

(7.6)

7с=1

. .

•• -

117

где m — число столбиков элементарных проводников по ширине стержня.

Формула (7. 6) для большинства практических расчетов может быть упрощена. Введя среднее значение индукции 5 е т ) С р вдоль лобовой части стержня, получим

 

 

2

 

--3.

 

 

2 \ 2

 

аЩ

 

2

("-S

 

 

fc=l

 

 

 

к=1

R \ 2

(7.7)

 

 

1

+

 

Rk

 

 

RkШ

 

 

R kl

 

1 + R

 

(

 

kj

Для

машин большой мощности

 

 

 

 

 

 

"op

 

 

4

Ьп

+ Д

 

 

(7.8)

 

r o

 

 

 

 

где А = (0.8-^1.2) см в зависимости

от

типа

машин, к=0.8 —

коэффициент, учитывающий

краевой

эффект.

 

 

Для турбогенератора мощностью 150 Мвт потери QKB.=149.2 квт.

Потери

от циркуляционных

токов

в элементарных

проводниках

стержней обмотки статора турбогенератора мощностью 500 Мвт

составляют 163 квт, 800

Мвт 357 квт.

7.4. Добавочные потери от

циркуляционных токов,

вызванные

внешним

полем

рассеяния

в лобовых

частях

 

 

Распределение внешнего тангенциального магнитного поля вдоль лобовой части обмотки статора было рассмотрено в гл. 6.

Кривая распределения внешнего магнитного потока имеет сложный характер, обусловленный влиянием токов в обмотке ротора (в других фазах обмотки статора), наличием ферромагнит­ ных масс, а также сложной геометрией лобовой части самого стержня. Однако тем не менее в первом приближении можно принять, что внешнее тангенциальное поле вдоль стержня изме­

няется но линейному закону от максимальной

величины Вт, мако

на выходе из паза до минимальной величины

Вш т у головки

стержня.

 

При наличии транспозиции в пазовой части на 360° и на угол 180° в каждой лобовой части стержня, как указывалось выше,

обеспечивается

полная

компенсация

эдс между

проводниками

от собственных

потоков

рассеяния

и частичная

компенсация

от внешних тангенциальных потоков рассеяния. Расчетная схема для определения циркуляционных токов в этом случае приведена на рис. 7-2.

При определении магнитного потока, сцепленного с отдельными частями контуров, образованных элементарными проводниками,

118

используем метод умножения друг на друга эпюр величин, изме­ няющихся по линейному закону. Согласно этому методу, для опре­

деления потока, сцепленного, например, с

треугольником іаі

(рис. 7-2), необходимо умножить площадь

этого треугольника

на величину индукции, соответствующую координате его центра тяжести.

Для схемы рис. 7-2 результирующее потокосцепление внешнего поля с контурами, образуемыми 1-м и к-п проводниками, равно

1

_

f п

I ^впмпкс

Фі-2 = "7J Мх

6 ^ щ і я п и і -

 

Х

/ос o n

^ fry

 

(35 — 31) — -g- ШШМ1

12

-^внмпіт г"\

 

\_ (Впт1макс

^впмппЛ

° )

24 V

36

/ л

 

I -^пп макс

J2

^вн мпп гА

 

 

+

 

7 ) —

 

 

1

f

^ішмакс

^вн мпіД , с

.. ~|

2

 

 

 

 

 

24V

 

36

 

)

 

 

(5-[Ц-—8і,11іАВ™<

 

 

 

ІДе

Д5В І І = ^вптах

 

-^віітіп-

 

 

потокосцеплений

внешнего

ноля

Аналогичным

образом

для

с контурами 1-3, . . ., 17 получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

 

 

 

.

1

 

 

 

 

 

 

Фі-З =

§Гhl^B»«>

 

^і-і == — "6

Ыл*Вви>

 

 

 

 

 

20

 

 

 

 

25

 

 

1

 

 

 

 

 

Фі-5 = — glМВш.

"W-6 =

— 8 Ï М*аВ™'

^1-7 = — "3

hl^B»n-

 

Потокосцеплениям ф ^ , . . .,

соответствуют

эдс в

контурах

 

Яі_2 =

* ^ПМвт

й

;

Яі - з =

« ѵ^/гл АД5„

;

 

 

 

 

£І_4

= u \'2 / г д Л Д 5 в п

^

;

= « ^ /У>ЛЯВ Я §

;

 

 

 

 

£ i _ G

=

it V/2 //Л ЛДВВ П

Ц

;

Я а _ 7 = - УІ2 П№ву

 

 

Распределение

эдс, наведенных между

1—2, . ..,

1—7 провод­

никами по высоте стержня, может

быть представлено

в

виде

(рис.

7-3):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ек

= ^ 2

- /*Л АДВ„ ( l +

sin к

,

 

 

(7.9)

где

Ä — порядковый

номер проводника при отсчете от средней ли­

нии

стержня.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Средняя величина эдс, индуктированных в проводниках

стержня,

относительно проводника

1,

равна

 

 

 

 

 

 

119

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ