Статор трехфазного синхронного гидрогенератора с полюсно-переключаемой обмоткой

Изобретение относится к тяжелому электромашиностроению, в частности к трехфазным синхронным гидрогенераторам. Технический результат заключается в повышении технико-экономических показателей при снижении материальных затрат и времени на создание статора гидрогенератора, предназначенного для двух режимных периодов эксплуатации с различной частотой вращения. На первом временном периоде гидрогенератор работает с пониженной частотой вращения n_в при количестве полюсов 2р_в и при пониженной мощности. На втором постоянном периоде гидрогенератор работает с повышенной номинальной частотой вращения n_п при количестве полюсов 2p_п с повышенной мощностью. При этом происходит изменение числа его полюсов с одновременной заменой полюсов ротора. Для этого применяется статор с полюсно-переключаемой обмоткой. Причем обмотка модифицируется из исполнения с одной полюсностью в исполнение с другой полюсностью путем перепайки только межполюсных соединений обмотки статора. 3 ил.

 

Изобретение относится к тяжелому электромашиностроению, в частности к трехфазным синхронным гидрогенераторам, предназначенным для двух режимных периодов эксплуатации с различной частотой вращения: на первом временном периоде при первоначальном накоплении минимального уровня воды (напора) в верхнем бьефе плотины на вновь вводимой гидроэлектростанции, при первичном заполнении водохранилища с пониженной частотой вращения

$$n_{в}=\frac{60\cdot f}{p_{в}}$$

при числе полюсов 2р_в при пониженной мощности; и на втором постоянном периоде эксплуатации при полном (проектном) накоплении расчетного уровня воды (напора) в верхнем бьефе плотины на стадии окончательного ввода гидроагрегатов электростанции с повышенной номинальной частотой вращения

$$n_{п}=\frac{60\cdot f}{p_{п}}$$

при числе полюсов 2p_п при полной проектной мощности.

В практике мирового электромашиностроения известны варианты создания и использования трехфазных синхронных гидрогенераторов с переменной в процессе эксплуатации частотой вращения (в первичный временный период работы с пониженным напором при первичном заполнении водохранилища и при пониженной мощности и в окончательный постоянный период работы с номинальным повышенным проектным напором и при повышенной проектной мощности).

При этом при переходе от временного периода эксплуатации к постоянному изменение частоты вращения гидрогенератора выполняется путем его модернизации с заменой полюсов ротора (с новым количеством полюсов) и с переводом обмотки статора на новую полюсность.

В качестве известного аналога статора гидрогенератора с переменной полюсностью при переходе с одной частоты вращения на другую может служить статор обратимого гидрогенератора-двигателя, используемого на ГАЭС "Ова Спин" (Ova Spin) в Швейцарии производства 1970 года фирмы "Эрликон" (Oerlicon), входившей в состав концерна "Браун Бовери" (Brown Boveri) (Brown Boveri Mitteilungen, 1970, Bd 57, №6/7, S.297-302; статья Bandi P. Polumschaltbare Motorgenerator fűr das Wasserkraftwerk Ova Spin (Банди П. "Двигатель-генераторные агрегаты с переключаемыми полюсами для гидроэлектростанции Ова Спин"); Chatelain J., Perillard A., Laible Th., Bandi P. (Switzerland). Two speed salient-pole synchronous motor-generator for pumped storage schemes, CIGRE, 1968, №11-06).

Номинальные параметры гидрогенераторов-двигателей для ГАЭС "Ова Спин" приведены ниже.

Режим генератора:

- 27 МВ·А; cosφ=0,9; 8,5 кВ; 500 об/мин; 2р=12; f_н=50 Гц;

- 21 МВ·А; cosφ=0,9; 8,5 кВ; 375 об/мин; 2р=16; f_н=50 Гц.

Режим двигателя:

- 26 МВт; cosφ=1,0; 8,5 кВ; 500 об/мин; 2р=12; f_н=50 Гц;

- 11 МВт; cosφ=0,8; 8,5 кВ; 375 об/мин; 2р=16; f_н=50 Гц.

На статоре уложены в 288 пазах две отдельные двухслойные петлевые обмотки (12- и 16-полюсные) по два стержня с транспозицией элементарных проводников по системе Робеля (Roebel) в каждом пазу с одинаковым шагом в 19 пазов.

Обмотки имеют одинаковое количество секций, и поэтому в каждом пазу расположены стержни разных обмоток. Обе обмотки соединены по схеме звезда с общей нейтралью (число выводов - 9).

Все катушки вообще выглядят, как в обычной двухслойной корзиночной обмотке только для одного числа полюсов. Две отдельные обмотки сформированы за счет того, что каждая вторая катушка соответствует одному количеству полюсов, а катушка, находящаяся между ними, - другому количеству полюсов. Поскольку шаг обмотки - нечетное число, каждая обмотка распределяется по всем пазам.

Число пазов на полюс и фазу (q), которое для высококачественной электрической машины должно быть по возможности большим, определено, таким образом, для каждой обмотки с учетом всего количества пазов, в то время как общее количество стержней обмотки, которое в значительной степени определяет расходы по изготовлению машины, в случае изготовления двух независимых обмоток, повышено по сравнению с вариантом односкоростной обмотки.

Коммутационные соединения и выводы для одного количества полюсов размещаются вверху, а для другого количества полюсов - снизу статора.

С точки зрения конструкции в данной обмотке возникает особая проблема, связанная с тем, что в каждом случае работы одной из двух обмоток ток протекает только по одной из взаимно распределенных обмоток, при этом катушка, вследствие неодинакового нагревания, расширяется по сравнению с обеими соседними катушками также неодинаково. Обычное бандажное кольцо неизбежно и довольно быстро привело бы к ослаблению закрепления лобовых частей стержней. В связи с этим была разработана специальная конструкция закрепления лобовых частей, в которой каждый стержень имеет необходимую свободу перемещения относительно обоих соседних стержней.

Недостатками такого статора с двумя независимыми обмотками являются:

- недостаточное использование активного объема машины для проектной мощности и, как следствие, завышенные расходы на ее изготовление;

- усложненная конструкция выводных узлов с неудобным расположением сверху и снизу машины;

- необходимость применения специальной усложненной конструкции закрепления лобовых частей стержней, которая обеспечивает свободу перемещения любого стержня относительно соседнего стержня.

Преимуществом такого статора является отсутствие необходимости его модернизации при переводе гидрогенератора с временного периода эксплуатации с пониженной частотой вращения на постоянный проектный период с повышенной частотой вращения.

В качестве известного прототипа статора гидрогенератора с переменной полюсностью при переводе эксплуатации с одной частоты вращения на другую может служить статор гидрогенератора типа СВ 1140/280-48 (36) УХЛ4, разработанного ПО "Уралэлектротяжмаш" в 1987 году для Рогунской ГЭС в Таджикистане ("Гидрогенератор с полным водяным охлаждением для Рогунской ГЭС. Технический проект ПО "Уралэлектротяжмаш". 0БП.082.432.ПВ3-А1, Свердловск, 1987 г.").

Номинальные параметры на первом временном и втором постоянном периодах эксплуатации гидрогенераторов типов СВ 1140/280-48 УХЛ4 и СВ 1140/280-36 УХЛ4 приведены ниже.

Режим на первом временном периоде эксплуатации гидрогенератора:

- 444,4 MB·А; 400 МВт; cosφ=0,9; 15,75 кВ; n_в=125 об/мин; 2р_в=48; f_н=50 Гц, I_1в=16292 А.

Режим на втором постоянном периоде эксплуатации гидрогенератора:

- 666,7 MB·А; 600 МВт; cosφ=0,9; 15,75 кВ; n_п=166,7 об/мин; 2р_п=36; f_н=50 Гц; I_1п=24438 А.

При принятом соотношении частот вращения и числа полюсов для исполнения гидрогенераторов на первом временном и втором постоянном периодах эксплуатации принятое количество пазов статора z₁=432 и принятые размеры пазов статора позволяют уложить в один и тот же сердечник статора или обмотку статора, соединенную в схему с четырьмя параллельными ветвями в фазе (а_1в=4) с числом пазов на полюс и фазу q_в=3, или обмотку статора, соединенную в схему с шестью параллельными ветвями в фазе (а_1п=6) с числом пазов на полюс и фазу q_п=4.

Благодаря тому что ток в параллельной ветви фазы обмотки для исполнения гидрогенератора на первом временном

$$(I_{ав}=\frac{I_{1в}}{{а}_{в}}=\frac{16292}{4}=4073\text{ А)}$$

и втором постоянном

$$(I_{aп}=\frac{I_{1п}}{{а}_{п}}=\frac{24438}{6}=4073\text{ А)}$$

периодах эксплуатации гидрогенератора одинаковые, сечение стержней и ток в пазу в обоих вариантах обмоток одинаковы.

В данном случае для перемонтажа гидрогенератора пускового комплекса на первом временном периоде во второй постоянный период понадобится только замена полюсов ротора и обмотки статора (с другим шагом обмотки по пазам статора). Для волновой обмотки шаги обмотки на первом временном и втором постоянном периодах эксплуатации статоров: y_1в=1-11-19 и y_1п=1-15-25. При этом разработанная конструкция обода ротора позволяет установить на нем или 48 полюсов на первом временном периоде эксплуатации гидрогенератора пускового комплекса, или 36 полюсов на втором постоянном периоде эксплуатации гидрогенератора.

Недостатком принятого статора на временном и постоянном периодах эксплуатации гидрогенераторов является необходимость полной замены обмотки статора для перехода от временного периода эксплуатации к постоянному периоду эксплуатации, которая приводит к значительным материальным затратам, связанным с необходимостью изготовления (с выполнением комплекса работ для перемонтажа) дополнительного комплекта обмотки статора с соединительными шинами для полюсно-фазных групп обмотки статора.

Преимуществом принятого статора на первом временном и втором постоянном периодах эксплуатации гидрогенераторов является сохранение неизменным для обоих исполнений сердечника статора и других конструктивных элементов статора.

В основу предлагаемого изобретения поставлена задача повышения технико-экономических показателей при снижении материальных затрат и времени на создание статора гидрогенератора, предназначенного для двух режимных периодов эксплуатации с различной частотой вращения: на первом временном периоде при начальном накоплении минимального уровня (напора) воды в верхнем бьефе плотины на гидроэлектростанции, вводимой изначально, при первичном заполнении водохранилища с пониженной частотой вращения

$$(n_{в}=\frac{60\cdot f}{p_{в}})$$

при количестве полюсов 2р_в и при пониженной мощности; и на втором постоянном периоде эксплуатации при полном (проектном) накоплении расчетного уровня (напора) воды в верхнем бьефе плотины на стадии окончательного введения гидроагрегатов электростанции с повышенной номинальной частотой вращения

$$\left(n_{п}=\frac{60\cdot f}{p_{п}}\right)$$

при количестве полюсов 2p_п с повышенной мощностью.

Вышеназванная задача решается путем реализации варианта с изменением частоты вращения гидрогенератора (с изменением его количества полюсов с одновременной заменой полюсов ротора) с применением статора с полюсно-переключаемой обмоткой модифицируемого из исполнения с одной полюсностью в исполнение с другой полюсностью путем перепайки (замены) только межполюсных (между полюсно-фазными группами стержней) соединений обмотки статора без полной замены обмотки статора.

Согласно изобретению для каждой пары исполнения гидрогенератора (на первом временном и втором постоянном периодах эксплуатации) в статоре применена петлевая стержневая обмотка статора с одинаковыми размерами пазов, с одинаковыми размерами стержней обмотки, с одинаковым числом пазов, равным z_i=2p_вi·m·q_в=2p_пi·m·q_п (где m=3 - число фаз обмотки статора) с одинаковым шагом обмотки по пазам статора, равным y=10, так что для исполнения на втором постоянном периоде эксплуатации (при меньшем числе полюсов) обеспечивается сокращение шага обмотки, равное

$${\beta }_{п}=\frac{y}{m\cdot q_{п}}=\frac{10}{3\cdot 4}=\mathrm{0,833}$$ ,

а для исполнения на первом временном периоде эксплуатации (при большем числе полюсов) - удлинение шага обмотки, равное

$${\beta }_{в}=\frac{y}{m\cdot q_{в}}=\frac{10}{3\cdot 3}=\mathrm{1,111}$$ ,

при соответствующем эквивалентном коэффициенте "сокращения"

$${\beta }_{в}=\frac{2m\cdot q_{в}-у}{m\cdot q_{в}}=\frac{2\cdot 3\cdot 3-10}{3\cdot 3}=\mathrm{0,889}$$ ;

с шагом по пазам перемычек, соединяющих полюсно-фазные зоны, для исполнения на первом временном периоде эксплуатации y_в(пер)=m·q_в=3·3=9, а для исполнения на втором постоянном периоде эксплуатации - с шагом по пазам перемычек y_п(пер)=m·q_п=3·4=12.

При реконструкции гидрогенератора для изменения частоты вращения с

$$n_{в}=\frac{60\cdot f}{p_{в}}$$ на $$n_{п}=\frac{60\cdot f}{p_{п}}$$

(наряду с заменой количества полюсов ротора 2р_в на количество полюсов 2p_п путем замены полюсов) выполняется модернизация полюсно-переключаемой обмотки статора с заменой (перепайкой) только перемычек между полюсно-фазными зонами (группами) стержней с шагом y_в(пер)=m·q_в=3·3=9 на новые перемычки с шагом y_п(пер)=m·q_п=3·4=12.

Такое решение распространяется на все пары исполнений гидрогенераторов с соотношением частот вращения на первом временном и втором постоянном периодах эксплуатации, равным

$$\frac{n_{вi}}{n_{пi}}=\frac{3}{4}=\mathrm{0,75,}$$

для пятнадцати нижеприведенных в таблице (фиг.1) пар исполнений гидрогенераторов с соотношением числа полюсов

$$\frac{2p_{вi}}{2p_{пi}}=\frac{8i}{6i},$$

где i=1, 2, 3, …, 15 - простая числовая последовательность от 1 до 15.

При этом число пазов на полюс и фазу для всех исполнений на первом временном периоде эксплуатации с частотой вращения q_в=3, а для всех исполнений гидрогенераторов на втором постоянном периоде эксплуатации с частотой вращения - q_п=4.

В качестве примера выполнения синхронного гидрогенератора с различными частотами вращения на первом временном и втором постоянном периодах эксплуатации с частотой генерируемого тока f=50 Гц выбран гидрогенератор, работающий при пониженной частоте вращения n_в=93,75 об/мин при количестве полюсов 2p_в=64, а также при повышенной частоте вращения n_п=25 об/мин при количестве полюсов 2p_n=48. Петлевая полюсно-переключаемая обмотка статора для обоих исполнений выполняется с одинаковым количеством пазов z₁=2p_вi·m·q_в=64·3·3=2p_пi·m·q_п=48·3·4=576. Для обоих исполнений размеры пазов и размеры стержней обмотки статора, а также статор необмотанный - одинаковые. Число пазов на полюс и фазу для исполнения на первом временном периоде эксплуатации q_в=3, для исполнения на втором постоянном периоде эксплуатации - q_п=4. Шаг обмотки статора по пазам y=10. Шаг перемычек между полюсно-фазными зонами для исполнения на первом временном периоде эксплуатации y_в(пер)=9, а для исполнения на втором постоянном периоде эксплуатации y_п(пер)=12.

На фиг.2 приведен фрагмент петлевой полюсно-переключаемой обмотки статора на временном периоде эксплуатации гидрогенератора с 2р_в=64 с шагом обмотки по пазам y=10; числом пазов на полюс и фазу q_в=3; с числом параллельных ветвей в фазе а_1в=4; с числом пазов статора z₁=576, с шагом межполюсных перемычек y_в(пер)=9, с коэффициентом сокращения обмотки

$${\beta }_{в}=\frac{2m\cdot q_{в}-у}{m\cdot q_{в}}=\frac{2\cdot 3\cdot 3-10}{3\cdot 3}=\mathrm{0,889}$$ ;

на фиг.3 - фрагмент петлевой полюсно-переключаемой обмотки статора на втором постоянном периоде эксплуатации гидрогенератора с 2р_п=48 с шагом обмотки по пазам y=10; числом пазов на полюс и фазу q_п=4; с числом параллельных ветвей в фазе а_1п=6; с числом пазов статора z₁=576, с шагом межполюсных перемычек y_п(пер)=12 с коэффициентом сокращения обмотки

$${\beta }_{п}=\frac{y}{m\cdot q_{п}}=\frac{10}{3\cdot 4}=\mathrm{0,833.}$$

В качестве примера выполнения синхронного гидрогенератора с различными частотами вращения на первом временном и втором постоянном периодах эксплуатации с частотой генерируемого тока f=60 Гц, согласно предлагаемому изобретению, выбран гидрогенератор, который эксплуатируется при пониженной частоте вращения n_в=90 об/мин при количестве полюсов 2р_в=80_, а также при повышенной частоте вращения n_п=120 об/мин при количестве полюсов 2p_п=60. Петлевая полюсно-переключаемая обмотка статора для обоих исполнений выполняется с одинаковым количеством пазов z₁=2р_вi·m·q_в=80·3·3=2p_пi·m·q_п=60·3·4=720. Для обоих исполнений размеры пазов и размеры стержней обмотки статора, а также статор необмотанный - одинаковые. Число пазов на полюс и фазу для исполнения на первом временном периоде эксплуатации q_в=3, для исполнения на втором постоянном периоде эксплуатации - q_п=4. Шаг обмотки статора по пазам y=10. Шаг перемычек между полюсно-фазными зонами для исполнения на первом временном периоде эксплуатации y_в(пер)=9, а для исполнения на втором постоянном периоде эксплуатации y_п(пер)=12.

Статор трехфазного синхронного гидрогенератора с полюсно-переключаемой обмоткой, предназначенного для двух режимных периодов эксплуатации с различной частотой вращения: на первом временном периоде при первоначальном накоплении минимального уровня (напора) воды в верхнем бьефе плотины на вновь вводимой гидроэлектростанции, при первичном заполнении водохранилища с номинальной частотой вращения

при числе полюсов 2р_в и при пониженной мощности, и на втором постоянном периоде при полном (проектном) накоплении расчетного уровня (напора) воды в верхнем бьефе плотины на стадии окончательного введения гидроагрегатов электростанции с повышенной номинальной частотой вращения

при количестве полюсов 2p_п при полной проектной мощности, при частоте переменного тока f=50 Гц или f=60 Гц с соотношением

для всех нижеприведенных пар исполнений гидрогенераторов с соотношением количества полюсов

(где i=1, 2, 3, …, 15 - простая цифровая последовательность от 1 до 15), содержащий корпус статора, шихтованный сердечник статора с пазами для укладки в них стержней обмотки, стержневую петлевую обмотку со стержнями, уложенными в пазы сердечника статора, полюсно-фазные соединительные шины (перемычки), концевые выводы фаз (параллельных ветвей фаз) с числом пазов на полюс и фазу для исполнения на первом временном периоде эксплуатации q_в=3 и с числом пазов на полюс и фазу для исполнения на втором постоянном периоде эксплуатации q_п=4, отличающийся тем, что для каждой пары исполнений гидрогенератора (для первого временного и второго постоянного периодов эксплуатации) в статоре применена полюсно-переключаемая обмотка с одинаковыми размерами пазов, с одинаковыми размерами стержней обмотки с одинаковым количеством пазов, равным z_i=2p_вi·m·q_в=2p_пi·m·q_п (где m=3 - число фаз обмотки статора), с одинаковым шагом обмотки по пазам статора, который составляет y=10, так что для исполнения на первом временном периоде эксплуатации образована схема обмотки с удлинением шага обмотки, равным

(при соответствующем эквивалентном коэффициенте "сокращения"
)
с шагом по пазам перемычек, соединяющих полюсно-фазные зоны, y_в(пер)=m·q_в=3·3=9; а для исполнения на втором постоянном периоде эксплуатации образована схема обмотки с сокращением шага обмотки, равным

с шагом по пазам перемычек, соединяющих полюсно-фазные зоны, y_п(пер)=m·q_п=3·4=12; при этом при реконструкции гидрогенератора для изменения частоты вращения с
на
(с изменением числа полюсов ротора 2р_в на число полюсов 2p_п путем замены полюсов) выполняется модернизация обмотки статора с заменой (перепайкой) только перемычек между полюсно-фазными зонами (группами) стержней с шагом по пазам статора y_в(пер)=m·q_в=3·3=9 на новые перемычки с шагом по пазам статора y_п(пер)=m·q_п=3·4=12.