Статор трифазного синхронного гідрогенератора з полюсно-перемикальною обмоткою

Реферат: Винахід належить до області важкого електромашинобудування. Статор трифазного синхронного гідрогенератора з полюсно-перемикальною обмоткою призначений для двох режимних періодів експлуатації з різною частотою обертання. Перший тимчасовий період при початковому накопиченні мінімального рівня (напору) води у верхньому б'єфі греблі на гідроелектростанції. Він вводиться при первинному заповненні водосховища з тимчасовою зниженою частотою обертання ( nm  60  ƒ ) при тимчасовій кількості полюсів 2p m і при pm зниженій потужності. Другий постійний період експлуатації при повному (проектному) накопиченні розрахункового рівня (напору) води у верхньому б'єфі греблі. Він вводиться на стадії остаточного введення гідроагрегатів електростанції з постійною підвищеною номінальною частотою обертання ( nn  60  ƒ ) при постійній кількості полюсів 2p n з підвищеною pn потужністю. Відповідно до винаходу реалізується варіант зі зміною частоти обертання гідрогенератора. При цьому відбувається змінення кількості його полюсів з одночасною заміною полюсів ротора. Для цього застосовується статор з полюсно-перемикальною обмоткою. Причому обмотка модифікується з виконання з однією полюсністю у виконання з іншою полюсністю шляхом перепаювання (заміни) тільки міжполюсних (між полюсно-фазними групами стрижнів) з'єднань обмотки статора. Запропонована конструкція забезпечує підвищення техніко-економічних показників при зниженні матеріальних витрат і часу на створення статора UA 106298 C2 (12) UA 106298 C2 гідрогенератора. Завдяки заміні (перепаюванню) тільки перемичок між полюсно-фазними зонами (групами) стрижнів не потребується повна заміна обмотки статора. UA 106298 C2 Винахід належить до важкого електромашинобудування, зокрема до трифазних синхронних гідрогенераторів, призначених для двох режимних періодів експлуатації з різною частотою обертання: на першому тимчасовому періоді при початковому накопиченні мінімального рівня води (напору) у верхньому б'єфі греблі на гідроелектростанції, що вводиться знову, при 5 первинному заповненні водосховища з тимчасовою зниженою частотою обертання n m  60  ƒ pm при тимчасовій кількості полюсів 2p m при зниженій потужності; та на другому постійному періоді експлуатації при повному (проектному) накопиченні розрахункового рівня води (напору) у верхньому б'єфі греблі на стадії остаточного введення гідроагрегатів електростанції з постійною підвищеною номінальною частотою обертання n n  10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60  ƒ при постійному числі pn полюсів 2p n при повній проектній потужності. У практиці світового електромашинобудування відомі варіанти створення і використання трифазних синхронних гідрогенераторів зі змінною в процесі експлуатації частотою обертання (в первинний тимчасовий період роботи зі зниженим напором при первинному заповненні водосховища і при зниженій потужності і в остаточний постійний період роботи з номінальним підвищеним проектним напором і при підвищеній проектній потужності). При цьому при переході від тимчасового періоду експлуатації до постійного зміна частоти обертання гідрогенератора виконується шляхом його модернізації із заміною полюсів ротора (з новою кількістю полюсів) і з переведенням обмотки статора на нову полюсність. Як відомий аналог статора гідрогенератора зі змінною полюсністю при переведенні з однієї частоти обертання на іншу може слугувати статор зворотного гідрогенератора-двигуна, що використовується на ГАЕС "Ова Спін" (Ova Spin) в Швейцарії виробництва 1970 року фірми "Ерлікон" (Oerlicon), яка входила до складу концерну "Броун Бовері" (Brown Boveri) (Brown Boveri Mitteilungen, 1970, Bd 57, № 6/7, S.297-302; стаття Bandi P. Polumschaltbare Motorgenerator fűr das Wasserkraftwerk Ova Spin (Банді П. Двигуно-генераторні агрегати з перемикальними полюсами для гідроелектростанції Ова Спін); Chatelain J., Perillard A., Laible Th., Bandi P. (Switzerland). Two speed salient-pole synchronous motor-generator for pumped storage schemes, CIGRE, 1968, № 11-06). Номінальні параметри гідрогенераторів-двигунів для ГАЕС "Ова Спін" наведено нижче. Режим генератора: - 27 MB-A; cosφ = 0,9; 8,5 кВ; 500 об/хв.; 2р = 12; fн = 50 Гц; - 21 MBA; cosφ = 0,9; 8,5 кВ; 375 об/хв.; 2р = 16; fн = 50 Гц. Режим двигуна: - 26 МВт; cosφ = 1,0; 8,5 кВ; 500 об/хв.; 2p=12; fн = 50 Гц; - 11 МВт; cosφ = 0,8; 8,5 кВ; 375 об/хв.; 2р = 16; fн = 50 Гц. На статорі вкладені в 288 пазах дві окремі двошарові петльові обмотки (12 і 16 полюсні) по два стрижні з транспозицією елементарних провідників по системі Робеля (Roebel) в кожному пазу з однаковим кроком в 19 пазів. Обмотки мають однакову кількість секцій, і тому в кожному пазу розташовані стрижні різних обмоток. Обидві обмотки з'єднані за схемою зірка із загальною нейтраллю (число виводів - 9). Всі котушки, взагалі, мають, такий вигляд, як у звичайній двошаровій кошиковій обмотці тільки для одного числа полюсів. Дві окремі обмотки сформовані за рахунок того, що кожна друга котушка відповідає одній кількості полюсів, а котушка, що знаходиться між ними, - іншій кількості полюсів. Оскільки крок обмотки - непарне число, кожна обмотка розподіляється по всіх пазах. Число пазів на полюс і фазу (q), яке для якісної електричної машини повинно бути по можливості більшим, дорівнює, таким чином, для кожної обмотки з урахуванням усієї кількості пазів, в той час як загальна кількість стрижнів обмотки, яка в значній мірі визначає витрати по виготовленню машини, в разі виготовлення двох незалежних обмоток, підвищена порівняно з варіантом одношвидкісної обмотки. Комутаційні з'єднання і виводи для однієї кількості полюсів розміщуються вгорі, а для іншої кількості полюсів - знизу статора. З точки зору конструкції в даній обмотці виникає особлива проблема, пов'язана з тим, що в кожному випадку роботи однієї з двох обмоток струм протікає тільки по одній із взаємно розподілених обмоток, при цьому котушка, внаслідок неоднакового нагрівання, розширюється порівняно з обома сусідніми котушками також неоднаково. Звичайне бандажне кільце неминуче і досить швидко привело б до послаблення закріплення лобових частин стрижнів. У зв'язку з 1 UA 106298 C2 5 10 15 20 25 30 цим була розроблена спеціальна конструкція закріплення лобових частин, в якій кожен стрижень має необхідну свободу переміщення відносно обох сусідніх стрижнів. Недоліком такого статора з двома незалежними обмотками є: - недостатнє використання активного об'єму машини для проектної потужності; та як наслідок, завищені витрати на її виготовлення; - ускладнена конструкція вивідних вузлів з незручним розташуванням зверху і знизу машини; - необхідність застосування спеціальної ускладненої конструкції закріплення лобових частин стрижнів, що забезпечує свободу переміщення будь-якого стрижня відносно сусіднього стрижня. Перевагою такого статора є відсутність необхідності його модернізації при переведенні гідрогенератора з тимчасового періоду експлуатації зі зниженою частотою обертання до постійного проектного періоду з підвищеною частотою обертання. Як відомий прототип статора гідрогенератора із змінною полюсністю при переведенні експлуатації з однієї частоти обертання на іншу може слугувати статор гідрогенератора типу СВ 1140/280-48 (36) УХЛ4, розробленого ВО "Уралелектроважмаш" у 1987 році для Рогунської ГЕС у Таджикистані ["Гідрогенератор з повним водяним охолодженням для Рогунської ГЕС. Технічний проект ВО "Уралелектроважмаш". 0БП.082.432.ПВЗ-А1, Свердловськ, 1987 р."]. Номінальні параметри тимчасового і постійного гідрогенераторів типів СВ 1140/280-48 УХЛ4 і СВ 1140/280-36 УХЛ4 наведені нижче. Режим тимчасового гідрогенератора: - 444,4 МВ-А; 400 МВт; cosφ = 0,9; 15,75 кВ; nm=125 об/хв.; 2pm=48; fн = 50 Гц; І1m=16292 А. Режим постійного гідрогенератора: - 666,7 МВ-А; 600 МВт; cosφ = 0,9; 15,75 кВ; nп = 166,7 об/хв.; 2рп = 36; fн = 50 Гц; І1п = 24438 А. При прийнятому співвідношенні частот обертання і кількостей полюсів для тимчасового та постійного виконань гідрогенераторів прийнята кількість пазів статора z1=432 і прийняті розміри пазів статора дозволяють укласти в одне й те ж осердя статора або тимчасову обмотку статора, з'єднану в схему з чотирма паралельними гілками в фазі (а lm=4) з числом пазів на полюс і фазу qm=3; або постійну обмотку статора, з'єднану в схему з шістьма паралельними гілками в фазі (аlп = 6) з числом пазів на полюс і фазу qп = 4. Завдяки тому, що струм в паралельній гілці фази обмотки для тимчасового ( Iam  35 40 45 50 Ilm 16292   4073 A ) am 4 і постійного ( Ian  Iln 24438   4073 A ) an 6 гідрогенератора однакові, переріз стрижнів і струм в пазу в обох варіантах обмоток однакові. У даному разі для перемонтажу гідрогенератора пускового (тимчасового) комплексу в постійний знадобиться тільки заміна полюсів ротора та обмотки статора (з іншим кроком обмотки по пазах статора). Для хвильової обмотки кроки обмотки для тимчасового та постійного статорів: Уlm=1-11-19 та уlп = 1-15-25. При цьому розроблена конструкція обода ротора дозволяє встановити на ньому або 48 полюсів для тимчасового гідрогенератора пускового комплексу, або 36 полюсів для постійного гідрогенератора. Недоліком прийнятого статора для тимчасового та постійного гідрогенераторів є необхідність повної заміни обмотки статора для переходу від тимчасового періоду експлуатації до постійного періоду експлуатації, яка призводить до значних матеріальних витрат, пов'язаних з необхідністю виготовлення (з виконанням комплексу робіт для перемонтажу) додаткового комплекту обмотки, статора зі з'єднувальними шинами для полюсно-фазних груп обмотки статора. Перевагою прийнятого статора для тимчасового та постійного гідрогенераторів є збереження незмінним для обох виконань осердя статора і інших конструктивних елементів статора. В основу пропонованого винаходу поставлена задача підвищення техніко-економічних показників при зниженні матеріальних витрат і часу на створення статора гідрогенератора, призначеного для двох режимних періодів експлуатації з різною частотою обертання: на першому тимчасовому періоді при початковому накопиченні мінімального рівня (напору) води у верхньому б'єфі греблі на гідроелектростанції, що вводиться знову, при первинному заповненні водосховища з тимчасовою зниженою частотою обертання ( nm  55 виконань 60  ƒ ) при тимчасовій pm кількості полюсів 2p m і при зниженій потужності; та на другому постійному періоді експлуатації при повному (проектному) накопиченні розрахункового рівня (напору) води у верхньому б'єфі 2 UA 106298 C2 греблі на стадії остаточного введення гідроагрегатів електростанції з постійною підвищеною номінальною частотою обертання ( nn  5 10 15 60  ƒ ) при постійній кількості полюсів 2p n з pn підвищеною потужністю. Вищеназвана задача вирішується шляхом реалізації варіанта зі зміною частоти обертання гідрогенератора (зі зміненням його кількості полюсів з одночасною заміною полюсів ротора) з застосуванням статора з полюсно-перемикальною обмоткою, що модифікується з виконання з однією полюсністю у виконання з іншою полюсністю шляхом перепаювання (заміни) тільки міжполюсних (між полюсно-фазними групами стрижнів) з'єднань обмотки статора без повної заміни обмотки статора. Відповідно до винаходу, для кожної пари виконань гідрогенератора (для тимчасової та постійної експлуатації) в статорі застосована петльова стрижнева обмотка статора з однаковими розмірами пазів, з однаковими розмірами стрижнів обмотки, з однаковим числом пазів, рівним zi  2pmi  m  qm  2pni  m  qn (де m  3 число фаз обмотки статора) з однаковим кроком обмотки по пазах статора, рівним y  10 , так що для виконання з постійною частотою обертання (при меншому числі полюсів) забезпечується скорочення кроку обмотки, яке дорівнює n  y 10   0,833 , а для виконання з тимчасової частотою обертання m  qn 3  4 (при числі більшому полюсів) подовження кроку обмотки, яке дорівнює y 10   1,111 при відповідному еквівалентному коефіцієнті "скорочення" m  qm 3  3 2  q  y 2  3  3  10 m  m m   0,889 ; з кроком по пазах перемичок, які з'єднують полюсноm  qm 33 фазні зони, для тимчасового виконання y mпер   m  qm  3  3  9 , а для постійного виконання m  20 - з кроком по пазах перемичок y n пер   m  qn  3  4  12 . При реконструкції гідрогенератора для зміни частоти обертання з тимчасової nm  на постійну nn  25 60  ƒ pm 60  ƒ (поряд з використанням одного з відомих способів заміни тимчасової pn кількості полюсів ротора 2p m на постійну кількість полюсів 2p n ) виконується незначна модернізація полюсно-перемикальної обмотки статора з заміною (перепаюванням) лише перемичок між полюсно-фазними зонами (групами) стрижнів з кроком ymпер   m  qm  3  3  9 на нові перемичка з кроком y nпер   m  qn  3  4  12 . Таке рішення поширюється на всі пари виконань гідрогенераторів із співвідношенням тимчасової та постійної частот обертання, яке дорівнює 30 нижченаведених в таблиці (фіг. 1) пар виконань гідрогенераторів зі співвідношенням числа полюсів 35 40 nmi 3   0,75 , для п'ятнадцяти nni 4 2pmi 8i , де і = і, 2, 3,…,15 - проста цифрова послідовність від 1 до 15.  2pni 6i При цьому число пазів на полюс і фазу для всіх виконань з тимчасовою частотою обертання qm  3 , а для всіх виконань гідрогенераторів з постійною частотою обертання - qn  4 . Як приклад виконання синхронного гідрогенератора з тимчасовою і постійною частотами обертання з частотою генерованого струму ƒ=50 Гц вибраний гідрогенератор, що працює при тимчасовій зниженій частоті обертання nm=93,75 об/хв при тимчасовій кількості полюсів 2pm  64 , а також при постійній підвищеній частоті обертання nn=125 об/хв при постійній кількості полюсів 2pn  48 . Петльова полюсно-перемикальна обмотка статора для обох виконань виконується з однаковою кількістю пазів z1  2pmi  m  qm  64  3  3  2pni  m  qn  48  3  3  576 . Для обох виконань розміри пазів і 3 UA 106298 C2 розміри стрижнів обмотки статора, а також статор необмотаний - однакові. Число пазів на полюс і фазу для тимчасового виконання qm  3 , для постійного виконання - qn  4 . Крок y  10 . Крок перемичок між полюсно-фазними зонами для тимчасового виконання y m пер   9 , а для постійного виконання y n пер   12 . обмотки статора по пазах 5 На фіг. 2 наведено фрагмент петльової полюсно-перемикальної обмотки статора тимчасового гідрогенератора з 2p m  64 з кроком обмотки по пазах y  10 ; числом пазів на qm  3 ; із числом паралельних гілок у фазі alm  4 ; із числом пазів статора z1  576 ; з кроком міжполюсних перемичок y m пер   9 , з коефіцієнтом скорочення обмотки полюс і фазу m  10 2m  qm  y 2  3  3  10   0,889 ; на фіг. 3 - фрагмент петльової полюсноm  qm 33 перемикальної обмотки статора постійного гідрогенератора з 2p n  48 з кроком обмотки по qn  4 ; із числом паралельних гілок у фазі aln  6 ; із числом пазів статора z1  576 ; з кроком міжполюсних перемичок ynпер   12 , з пазах y  10 ; числом пазів на полюс і фазу коефіцієнтом скорочення обмотки n  15 20 y 10   0,833 . m  qn 3  4 Як приклад виконання синхронного гідрогенератора з тимчасовою і постійною частотами обертання з частотою генерованого струму ƒ=60 Гц відповідно до пропонованого винаходу вибраний гідрогенератор, який експлуатується при тимчасовій зниженій частоті обертання nm=90 об/хв при тимчасовій кількості полюсів 2p m  80 , а також при постійній підвищеній частоті обертання nn=120 об/хв при постійній кількості полюсів 2p n  60 . Петльова полюсноперемикальна обмотка статора для обох виконань виконується з однаковою кількістю пазів z1  2pmi  m  qm  80  3  3  2pni  m  qn  60  3  3  720 . Для обох виконань розміри пазів і розміри стрижнів обмотки статора, а також статор необмотаний - однакові. Число пазів на полюс і фазу для тимчасового виконання qm  3 , для постійного виконання - qn  4 . Крок y  10 . Крок перемичок між полюсно-фазними зонами для тимчасового виконання y m пер   9 , а для постійного виконання y n пер   12 . обмотки статора по пазах 25 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 30 Статор трифазного синхронного гідрогенератора з полюсно-перемикальною обмоткою, призначеного для двох режимних періодів експлуатації з різною частотою обертання: на першому тимчасовому періоді при початковому накопиченні мінімального рівня (напору) води у верхньому б'єфі греблі на гідроелектростанції, що вводиться знову, при первинному заповненні водосховища з тимчасовою номінальною частотою обертання ( nm  35 60  ƒ ) при тимчасовій pm кількості полюсів 2pm і при зниженій потужності, і на другому постійному періоді при повному (проектному) накопиченні розрахункового рівня (напору) води у верхньому б'єфі греблі на стадії остаточного введення гідроагрегатів електростанції з постійною підвищеною номінальною частотою обертання ( nn  60  ƒ ) при тимчасовій кількості полюсів 2pn при повній проектній pn потужності, при частоті змінного струму ƒ  50 Гц або ƒ  60 Гц із співвідношенням nmi 3   0,75 для всіх нижченаведених пар виконань гідрогенераторів зі співвідношенням nni 4 кількості полюсів 40 2pmi 8i  (де i  1, 2, 3,...,15 проста цифрова послідовність від 1 до 15), що 2pni 6i містить корпус статора, шихтоване осердя статора з пазами для укладання в них стрижнів обмотки, стрижневу петльову обмотку зі стрижнями, укладеними в пази осердя статора, полюсно-фазні з'єднувальні шини (перемички), кінцеві виводи фаз (паралельних гілок фаз) з 4 UA 106298 C2 5 числом пазів на полюс і фазу для виконання з тимчасовою частотою обертання qm  3 і з числом пазів на полюс і фазу для виконання з постійною частотою обертання qn  4 , який відрізняється тим, що для кожної пари виконань гідрогенератора (для тимчасової та постійної експлуатації) в статорі застосована полюсно-перемикальна обмотка з однаковими розмірами пазів, з однаковими розмірами стрижнів обмотки, з однаковою кількістю пазів, яка дорівнює zi  2pmi  m  qm  2pni  m  qn (де m  3 число фаз обмотки статора), з однаковим кроком обмотки по пазах статора, рівним y  10 , так що для тимчасового виконання утворена схема обмотки з подовженням кроку обмотки, яке дорівнює еквівалентному коефіцієнті скорочення m  10 утворена схема обмотки зі y 10   1,111 m  qm 3  3 (при відповідному 2m  qm  y 2  3  3  10   0,889 ) з кроком по пазах m  qm 33 перемичок, що з'єднують полюсно-фазні зони, виконання m  ymпер   m  qm  3  3  9 , а для постійного скороченням кроку обмотки, яке дорівнює y 10 n    0,833 , з кроком по пазах перемичок, що з'єднують полюсно-фазні зони, m  qn 3  4 ynпер   m  qn  3  4  12 , при цьому при реконструкції гідрогенератора для зміни частоти обертання з тимчасової nm  15 60  ƒ 60  ƒ на постійну nn  (з використанням одного із способів pm pn змінення тимчасового числа полюсів ротора 2pm на постійне число полюсів 2pn ) виконана модернізація обмотки статора з заміною (перепаюванням) тільки перемичок між полюснофазними зонами (групами) стрижнів з кроком по пазах статора ymпер   m  qm  3  3  9 на нові перемички з кроком по пазах статора ynпер   m  qn  3  4  12 . 5 UA 106298 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6