|
СИнхРонные ЭлеКтРоМашИны
Наибольшее распространение в электроэнергетике в качестве генераторов и электродвигателей получили синхронные электрические машины. Отличительной особенностью синхронной машины является то, что они, независимо от значения момента на валу как в генераторном, так и двигательном режимах, вращаются с постоянной угловой скоростью, называемой синхронной.
В процессе эксплуатации электрического оборудования электростанций возникает необходимость регулирования таких режимных параметров, как частота и напряжение, а также повышения устойчивости работы энергосистем и улучшения качества электромеханических переходных процессов при больших возмущениях. Важной задачей является также повышение экономичности и надежности электростанций любых типов с агрегатами, первичные двигатели которых (гидромашины для ГЭС и ГАЭС) работают в условиях широких диапазонов изменения параметров подводимой к ним энергии (напора воды у гидроагрегатов, скорости ветра у ветроустановок и т. п.).
Последняя задача – повышение экономичности агрегатов – является особенно актуальной для ГАЭС, имеющих обратимые гидроагрегаты. Это объясняется тем, что, во-первых, у ГАЭС, как правило, широкий диапазон изменения напоров, и, во-вторых, при конструировании обратимых гидромашин невозможно обеспечить оптимальный к.п.д. как для насосного, так и для турбинного режима. Для обратимых гидроагрегатов ГАЭС характерно несовпадение максимумов к.п.д. в насосном и турбинном режимах. Как уже отмечалось в предыдущей главе, для обеспечения оптимального режима работы насосотурбины в заданном диапазоне изменения напоров скорость вращения агрегата в турбинном режиме должна быть на 15 % ниже, чем в насосном. До недавних пор практически единственным способом выполнения этого условия было применение двухскоростных электромашин, что требует соответствующих конструктивных решений.
Как известно, связь между числом оборотов синхронной элек тромашины и числом пар полюсов выражается соотношением
n = 60 f / p,
где n – частота вращения, об/мин; f – частота сети, Гц; р – число пар полюсов.
Отсюда следует, что для ступенчатого изменения скорости электрической машины необходимо переключить обмотки статора и ротора таким образом, чтобы обеспечить необходимое соотношение.
Изменение числа пар полюсов и соответствующее изменение частоты вращения электромашины может быть выполнено с применением разных конструкций электромашины, отличающихся сложностью, первоначальной стоимостью и эксплуатационными издержками. При этом необходимо не только обеспечить быстрое переключение обмоток статора и ротора с помощью наименьшего числа выводов и коммутационных аппаратов, но и стремиться к тому, чтобы равномерность вращения, симметричность усилий, вибрация, потери мощности, габариты и масса двухскоростной электромашины были сопоставимы с такими же параметрами обычной односкоростной синхронной машины. В конечном счете суммарная стоимость двухскоростной электромашины для обеспечения экономической целесообразности ее применения должна быть сохранена в разумных пределах.
Кроме изменения числа пар полюсов изменение скорости электромашины возможно также при изменении частоты переменного тока, что может быть достигнуто с помощью тиристорного статического преобразователя частоты (СПЧ). Генераторно-тиристорные комплексы по месту подключения преобразователей частоты можно разделить на две группы.
В первой группе синхронный или асинхронный генератор связан с сетью через тиристорный СПЧ, мощность которого равна мощности генератора. Это обстоятельство определяет большие габариты и высокую стоимость установок, что ограничивает область их применения, особенно в зоне больших мощностей.
Ко второй группе относятся так называемые асинхронизированные синхронные генераторы или просто асинхронизированные генераторы, состоящие из машины переменного тока и преобразователя в цепи возбуждения, обеспечивающего возможность создания управляемых магнитных полей по двум взаимно-перпендикулярным осям ротора: продольной (d) и поперечной (q). Достоинством такого комплекса является значительно меньшая, зависящая от требуемого
диапазона изменения частоты вращения, мощность преобразовате ля (обычно не более 20–25 % мощности генератора).
Рассмотрим в качестве примера варианты получения переменной частоты вращения, принятые для сравнения при проектировании двухскоростной синхронной электромашины мощностью 700 МВт ГАЭС Бремм (Германия), представленные в табл. 16.1.
Та б л и ц а 16.1
Номер варианта
|
Вариант получения переменной частоты вращения
|
Стоимость варианта
(% от стоимости первого варианта)
|
1
|
Электромашина с двумя отдельными об- мотками статора и переключением числа пар полюсов ротора
|
100
|
2
|
Электромашина с переключением обмоток
статора и ротора для изменения числа пар полюсов
|
Весьма большая (точных данных нет)
|
3
|
Электромашина обычного исполнения с одной частотой вращения постоянно
включена через СПЧ
|
Точных данных нет
|
4
|
Электромашина обычного исполнения с одной частотой вращения (150 об/мин) включена через СПЧ
|
350
|
5
|
Две синхронные электромашины половинной мощности, питаемые от СПЧ
|
260
|
На первый взгляд, второй вариант с использованием одних и тех же обмоток статора и ротора для получения обеих скоростей вращения наиболее экономичен. Однако это соображение «экономичности» действительно, если отношение оборотов в турбинном и насосном режимах nт /nн равно 1:2 или 1:3, так как в этом случае переключение пар полюсов при изменении частоты вращения осуществляется относительно просто. Требуемое для условий ГАЭС Бремм отношение nт /nн = 0,833 является уже критическим, так как при общем числе полюсов, равном 24, необходимо изменить их число на 4. В этом случае крайне трудно добиться симметрии механических усилий и синусоидальности формы кривой напряжения на выводах электромашины.
Требуемое переключение обмоток статора электромашины можно выполнить двумя способами (рис. 16.1). В первом случае обмотка статора состоит из 3×3 частей, соединяемых в различном порядке для получения определенной частоты вращения. Для этого необхо димо иметь на электромашине 18 выводов обмотки статора и 12 фаз выключателей (рис. 16.1, а). При втором способе обмотку статора соответственно делят на 2×3 группы, поэтому требуется только 12 выводов и те же 12 фаз выключателей (рис. 16.1, б). В обоих случаях нейтральные выводы обмотки статора соединены наглухо.
Опыт эксплуатации построенной по этому принципу сравнительно небольшой двухскоростной электромашины с 10/12 полюсами, частотой вращения 600/500 об/мин и мощностью 9 МВ·А, установленной на швейцарской ГАЭС Ле Фареттес, показал, что вследствие асимметрии витков возникают сильные магнитные перенапряжения в воздушном зазоре между ротором и статором. Кроме значительной стоимости коммутационных устройств и относительно больших первоначальных капитальных затрат существенным недостатком этого способа является снижение надежности вследствие большого количества коммутационных аппаратов и, соответственно, снижение готовности агрегата к работе.
Для электромашины мощностью 700 МВт ГАЭС Бремм только стоимость коммутационных устройств в случае использования второго варианта составила бы около 1,5 млн марок. Кроме того,
A B C
B2
а б
Do'stlaringiz bilan baham: |
