Расчёт турбогенератора

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Задание

I. Выбор основных размеров и обмоточных данных турбогенератора

1.1 Основные размеры и электромагнитные нагрузки

1.2 Проектирование обмотки статора

1.3 Немагнитный зазор

II. Основные размеры и обмоточные данные ротора

2.1 Основные размеры зубцово-пазовой зоны

Расчёт обмотки ротора

III.Электромагнитный расчёт турбогенератора

3.1 Расчёт характеристики холостого хода

3.2 Намагничивающая сила и ток обмотки возбуждения при номинальной нагрузке

3.3 Построение регулировочной характеристики

3.4 Параметры и постоянные времени турбогенератора

Заключение

Список использованных источников

ВВЕДЕНИЕ

Задание

Спроектировать турбогенератор серии ТВ с косвенной водородной системой охлаждения обмоток статора и ротора и с непосредственным водородным охлаждением сердечника статора.

Номинальное линейное напряжение турбогенератора U_HЛ = 10500В, синхронная частота вращения п₁ = 3000 об/мин; номинальная мощность Р_Н = 30 МВт; коэффициент мощности в номинальном режиме cos_н = 0,8 ; перегрузочная способность S = 1,8.

I. Выбор основных размеров и обмоточных данных турбогенератора

1.1 Основные размеры и электромагнитные нагрузки

Номинальное фазное напряжение турбогенератора:

(1.1)

Номинальный ток турбогенератора:

(1.2)

Полная номинальная мощность:

(1.3)

Число пар полюсов турбогенератора:

(1.4)

Круговая частота вращения ротора турбогенератора

(1.5)

Выбираем размер D₁ – внутренний диаметр статора, имеющего косвенное водородное охлаждение рис.1.

Для этого выберем предварительное значение коэффициента k_E = 1,09 и определим электромагнитную мощность турбогенератора:

(1.6)

Принимаем значение внутреннего диаметра статора D₁ = 0,9м

Теперь определим длину статора l₁ для этого найдём значения коэффициентов.

Коэффициент полюсного перекрытия и коэффициент формы поля k_B:

(1.7)

Относительный шаг обмотки турбогенератора выбираем равным 

Которому соответствует предварительное значение обмоточного коэффициента

k_об =0,92

Предварительно выбираем максимальную индукцию магнитного поля B8Тл и линейную нагрузку статора А₁= 11 х 10⁴А/м в зависимости от размера D₁

(1.8)

При непосредственном водородном охлаждении ширину пакетов b_n выбирают - 0,05 м, а ширину вентиляционных каналов b_K=0,005м

Число вентиляционных каналов равно:

(1.9)

Число пакетов статора

(1.10)

Действительная длина статора:

(1.11)

1.2 Проектирование обмотки статора

В проектируемом турбогенераторе применим двухслойную стержневую обмотку с числом катушечных групп на фазу равным числу полюсов, с двумя эффективными проводниками на паз u_n1=2, с прямоугольными пазами и лобовыми частями корзиночного типа.

Полюсное деление статора равно:

(1.12)

Предварительное значение магнитного потока в зазоре:

(1.13)

Число последовательно соединённых витков фазы обмотки статора:

(1.14)

Число последовательных витков стержневой обмотки c двумя эффективными проводниками на паз u_n1 =2, с одинаковыми катушками должно удовлетворять равенству:

(1.15)

Где q₁ – число пазов на полюс и фазу принимаем q₁=12

а₁ =1 число параллельных ветвей

При этом число пазов равно:

Z₁ = 2pm₁q₁ = 2*3*12 = 72 (1.16)

Зубцовый шаг статора при косвенном охлаждении обмотки должен находится в пределах t₁ = 0,03..0,07м и равен:

(1.17)

Полный пазовый ток равен:

(1.18)

и находится в рекомендуемых пределах I_n1<=(2,5..6,5)10³A расчётные

Оптимальная ширина паза определяется из соотношения (b_n1/t₁)_опт=0,5 практически рекомендуется принимать ширину паза:

b_n1 = t₁ (0,35..0,45)

принимаем b_n1 = 0,039*0,45=0,018м

Ширина зубца в узком месте:

b_Z1 = t₁ –b_n1=0,039-0,018=0,021м (1.19)

Полученная ширина в узком месте зубца должна удовлетворять ограничению:

(1.20)

условие выполняется

где В_z1m- индукция в коронке зуба ( 1,7 Тл);

l_c1=(l_ -п_kb_k)k_c=(1,81 – 32*0,005)*0.95 = 1,567м – длина чистой стали по оси статора;

k_c=0,95 – коэффициент заполнения сталью пакетов статора.

Выбираем изоляцию паза по рис.3 (класс В), на котором толщина по ширине и высоте изоляции позициями обозначена так;

1) электрокартон на дне паза - 0,1 мм;

2) миканит гибкий под переходы – 0,4 мм;

3) бумага асбестовая – 0,5 мм;

4) микалента чёрная – 6 мм;

5) лента асбестовая – 1мм ; лаковое покрытие – 0,2 мм;

разбухание изоляции от пропитки по ширине – 0,3мм; по высоте 1мм;

6) прокладка между стержнями – 2,5мм;

7) прокладка под клином - 1мм.

Допуски на укладку по ширине – 0,3мм, по высоте – 0,2 мм.

Общая односторонняя толщина изоляции на паз по ширине – 4,2мм, по высоте – 10 мм.

Определим предварительную ширину проводника обмотки статора:

(1.21)

По ширине проводника принимаем плотность тока в обмотке статора равной

j₁ = 5,5 x 10⁶ A/м²

Длина лобовой части полувитка на данном этапе проектирования:

l_лоб=1,7(2U_нл / 10⁵+ ) = 1,7(2*10500/10⁵+0,83*1,413) = 2,35м (1.22)

Длина витка обмотки статора:

(1.23)

Определим предварительное сечение эффективного проводника обмотки статора:

(1.24)

Высоту элементарного проводника выбираем стандартной а_м1 = 3мм, b_м1=5мм, расчётное сечение S_c = 14,45 мм²

Число элементарных проводников в одном эффективном равно:

п_эл =S₁ / S_c = 375 / 14,45 = 26 (1.25)

Из рис.4. определяем окончательные размеры: b_n1 =20мм , h_n1 = 149мм.

Высота клина равна ширине паза n_к = 0.98b_n1 = 15мм

h_n1 / b_n1 = 149/20=7,45 – удовлетворяет требованию (6..8,5)

h₁₁ = 110 мм; h₄ = 30мм

Определим высоту спинки статора:

(1.26)

где B_a1=1,6 Тл – желаемая максимальная индукция магнитного поля в ярме статора.

Внешний диаметр пакета статора:

D_a = D₁+2(h_n1+h_a1) = 0,9+2(0,149+0,259) =1,72 м. (1.27)

1.3 Немагнитный зазор

Относительное значение индуктивного сопротивления пазового рассеяния:

(1.28)

где _^Вб*м) – магнитная проницаемость вакуума;

k_коэффициент, учитывающий уменьшение пазового расстояния.

Амплитуда н.с. статора на полюс:

(1.29)

Магнитный поток при холостом ходе

(1.30)

Относительное сопротивление лобового рассеяния:

(1.31)

Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора в относительных единицах:

(1.32)

Индуктивное сопротивление Потье в о.е.

(1.33)

Синхронное индуктивное сопротивление взаимоиндукции х_аd* = 2,0

Рассчитаем величину воздушного зазора:

(1.34)

k_d = 1,2 - коэффициент воздушного зазора

Рассчитанное значение воздушного зазора турбогенератора примерно на 5 мм больше ориентировочной величины.

II. Основные размеры и обмоточные данные ротора

2.1 Основные размеры зубцово-пазовой зоны

Внешний диаметр ротора:

D₂ = D₁ – 2d = 0,9 – 2*0,042=0,816 м (2.1)

Активную длину ротора выбираем равную :

l₂ =l_0,09 = 1,81+ 0,09 = 1,9 м (2.2)

Зададимся числом фактических пазов ротора во всей окружности:

Z₀ = 28

Для получения оптимальной величины , обеспечивающей максимальное приближение распределения поля возбуждения к синусоидальному выбираем значение Z₂ = 20 , тогда

g = Z₂ / Z₀ = 20 / 28 = 0,71

 j (g) = 5,5

Относительная высота паза ротора b₂ = 0,18;

Рассчитаем предварительную высоту паза ротора:

h_n2 = b₂ D₂ = 0,18*0,816 = 0,147м (2.3)

Относительная площадь фиктивного числа пазов ротора S₀ = 0,36

Предварительную ширину паза определим по формуле:

(2.4)

2.2 Расчёт обмотки ротора

Общий вид и размеры изоляции приведены ниже.

Ширина проводника обмотки ротора

b₂ = b_n2  2d_ = 46 – 2*2=42мм (2.5)

По сортаменту подбираем провод стандартных размеров – b₂ = 35мм .

Следовательно, ширина паза будет меньше b_п2 =40мм.

Напряжение возбуждения турбогенератора выбираем в соответствии с

Р_Н, u_f = 210 B

Средняя длина витка обмотки возбуждения

l_fcc = 2 (l₂ + l_Л2) = 2(1,9+1,1) = 6 м (2.6)

где предварительно

l_Л2=1,35D₂ = 1,35*0,816 = 1,1м (2.7)

Обмоточный коэффициент обмотки ротора:

(2.8)

Коэффициент приведения н.с. обмотки якоря к обмотке возбуждения:

(2.9)

Н.с. обмотки ротора при симметричном К.З. обмотки статора

(2.10)

При заданной статической перегружаемости S и номинальном коэффициенте мощности н.с. обмотки ротора

F_fн = F_fk = 67149*0,8 = 53719A (2.11)

Высота проводника ротора:

(2.12)

Выбираем стандартную высоту проводника а₂ = 4,4мм, площадь сечения которого S₂ = 153мм²

h_k2 =0,04 м высоту клина выбираем равной ширине паза.

Число эффективных проводников в пазу ротора

(2.13)

D_ = 0,0015м – толщина пазовой изоляции ротора

Из технологических соображений ширина зубца в узком месте должна быть не менее 0,0135м , проверим выполнение этого условия:

(2.14)

Условие выполняется.

Эскиз паза приведён на рис. 6, из которого окончательно установим размеры: h_n2 = 0,146м и b_n2 = 0,04м.

III.Электромагнитный расчёт турбогенератора

3.1 Расчёт характеристики холостого хода

Расчёт характеристики холостого хода проводится по основной пространственной гармонике поля в зазоре не один полюс.

Намагничивающая сила зазора равна:

(3.1)

где k_d = k_d1 k_d2 k_{d p} k_{d c} k_{d p2} = 1,047*1,037* 1,002* 1,018*1,014 = 1,123 коэффициент зазора (коэффициент Картера)

где коэффициент, учитывающий зубчатость статора,

(3.2)

Коэффициент, учитывающий пазы ротора при немагнитных клиньях и наличии больших зубцов по продольной оси,

(3.3)

где k_q - коэффициент, учитывающий пазы ротора в области малых зубцов:

(3.4)

здесь t₂- зубцовый шаг ротора

(3.5)

Коэффициент, учитывающий пазы радиальные вентиляционные каналы статора

(3.6)

Коэффициент, учитывающий ступенчатость крайних пакетов статора

(3.7)

Коэффициент, учитывающий рифление бочки ротора при косвенном охлаждении обмотки возбуждения

(3.8)

где t_p = 12мм; b_p = 6 мм

Магнитный поток в зазоре, обусловленный основной гармоникой индукции в режиме холостого хода (при Е₀=U_H)

(3.9)

Индукция в воздушном зазоре

(3.10)

Намагничивающая сила всей магнитной цепи машины с учётом насыщения стальных участков на х.х. обеспечивающая Е₀=U_H

F_f0 = kmF_d = 1,2 * 30042 =36050А (3.11)

где k =1,2 – для большинства турбогенераторов.

Таблица 2.

Построим характеристику холостого хода рис.7 в относительных единицах,

Е*=f (F_f*), точке Е*=1,0 соответствуют базовые величины параметров.

3.2 Намагничивающая сила и ток обмотки возбуждения при номинальной нагрузке

Н.с. обмотки статора, приведённая к обмотке возбуждения

(3.12)

Угол j_ = arccos(0,8) = 37⁰ , a₁ = 6⁰  jx_p*I_H* =0,13

По характеристике х.х. рис.6 находим соответствующий ток возбуждения

i*_fE = 1,2. Н.с. обмотки возбуждения на полюс при номинальной нагрузке i*_fН = 2,2. Т.к. н.с. возбуждения приведена к одному масштабу с током возбуждения, то

F*_fH = i*_fH

Действительная н.с. возбуждения

F_fH = F*_fH F_f0 = 2,2*36050 =79310А (3.13)

Номинальный ток возбуждения

i_fН = 4 F_fH / (Z₂ u_n2) =4*79310 / (20*18) =881 A (3.14)

3.3 Построение регулировочной характеристики

Две точки регулировочной характеристики i*_f = f(I*) уже известны (1;0) и (2,2;1).

Для получения промежуточных точек зададимся значениями I* =0,3 и 0,8

Тогда jx*_pI* = 0,6 и 0,15 , а i*_f =1,2 и 2,0 характеристика приведена на рис.8.

Активное сопротивление обмотки возбуждения:

(3.15)

Число катушек на полюс

q₂ = Z₂ / 4 = 20/4 = 5 (3.16)

Уточнённое значение номинального напряжения возбуждения

(3.17)

Номинальная мощность возбудителя

Р_fH = u_fH*i_fH = 138*881 =122 кВт

Выбираем возбудитель ВТ-450-3000

Номинальная мощность – 470 кВт

Номинальное напряжение – 280В

Номинальный ток – 1680А

Номинальный КПД – 91,5%.

3.4 Параметры и постоянные времени турбогенератора

Под параметрами понимаются активные и индуктивные сопротивления обмоток в симметричных и несимметричных установившихся и переходных режимах.

Активное сопротивление фазы обмотки статора при рабочей температуре:

(3.18)

здесь S₁ = n_элS_c = 26*0,00001445 = 0,000375м² – сечение эффективного проводника

Сопротивление фазы статора в относительных единицах

(3.19)

Индуктивное сопротивление реакции якоря по продольной оси

(3.20)

Индуктивное сопротивление реакции якоря по поперечной оси приближённо

(3.21)

Синхронные индуктивные сопротивления по продольной и поперечной осям

(3.22)

Сверхпереходное индуктивное сопротивление по продольной оси

(3.23)

Индуктивное сопротивление обратной последовательности

(3.24)

Индуктивное сопротивление нулевой последовательности (для )

(3.25)

Постоянная времени затухания апериодической составляющей тока внезапного короткого замыкания

При трёхфазном к.з.

(3.26)

При двухфазном к.з.

При однофазном к.з.

Статическая перегружаемость турбогенератора определяется по формуле:

(3.27)

где i*_fK –ток возбуждения, обеспечивающий номинальный ток статора при трёхфазном к.з. Этот ток определяется по спрямлённой ненасыщенной характеристике рис.9 х.х. для Е*=I*_н х*_d = 0,7*2.27 = 1,6

Кратности установившихся токов к.з. (соответственно трёх-, двух- и однофазного) в о.е.

(3.28)

где =2,2

Ударный ток внезапного симметричного к.з. в о.е.

(3.29)

Заключение

В работе спроектирован турбогенератор с одной парой полюсов, с воздушным зазором 4,2 см, количество пазов ротора 20 и статора -72. Турбогенератор является неявнополюсной синхронной электромашиной и может быть использован на ТЭЦ и АЭС, а также в атомных энергоустановках ледоколов.

Список использованных источников

1. Пособие к курсовому и дипломному проектированию для электроэнергетических специальностей вузов, 2-е изд., перераб. и доп./ В.М.Блок, Г.К.Обушев, Л.Б.Паперно и др.; Под ред. В.М.Блок.- М: Высш.шк.,1990г.-383с.

2. Электротехнический справочник: В 3 т.Т.3.2кн. кн.1.Производство и распределение электрической энергии (Под общ.ред.профессоров МЭИ: И.Н.Орлова (гл. ред.) и др.) 7-е изд., испр. и доп. - М: Энергоатомиздат ,1988г.-880с.

3. Макаричев Ю.А. Проектирование турбогенераторов: Учебное пособие.- Самара: СамГТУ, 2000 – 69с.

4. Вольдек А.И. Электрические машины .-Л:Энергия, 1974г. – 840с.