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 приноминальной нагрузке
3.3 Построение регулировочной характеристики
3.4 Параметры и постоянные времени турбогенератора
Заключение
Список использованных источников
ВВЕДЕНИЕ
/>
Задание
Спроектировать турбогенераторсерии ТВ с косвенной водородной системой охлаждения обмоток статора и ротора ис непосредственным водородным охлаждением сердечника статора.
Номинальное линейноенапряжение турбогенератора UHЛ= 10500В, синхронная частота вращения п1 = 3000 об/мин; номинальнаямощность РН = 30 МВт; коэффициент мощности в номинальномрежиме cosн= 0,8; перегрузочная способность S = 1,8.
I. Выборосновных размеров и обмоточных данных турбогенератора
1.1 Основныеразмеры и электромагнитные нагрузки
Номинальное фазноенапряжение турбогенератора:
/> (1.1)
Номинальный токтурбогенератора:
/> (1.2)
Полная номинальнаямощность:
/> (1.3)
Число пар полюсовтурбогенератора:
/> (1.4)
Круговая частота вращенияротора турбогенератора
/> (1.5)
Выбираем размер D1 – внутренний диаметр статора, имеющего косвенноеводородное охлаждение рис.1.
Для этого выберемпредварительное значение коэффициента kE= 1,09 и определим электромагнитную мощностьтурбогенератора:
/> (1.6)
Принимаем значениевнутреннего диаметра статора D1 = 0,9м
Теперь определим длинустатора l1для этого найдём значения коэффициентов.
Коэффициент полюсногоперекрытия />и коэффициент формы поля kB:
/> (1.7)
Относительный шаг обмоткитурбогенератора выбираем равным
Которому соответствуетпредварительное значение обмоточного коэффициента
kоб=0,92
Предварительно выбираеммаксимальную индукцию магнитного поля B8Тл и линейную нагрузку статора А1=11 х 104А/мв зависимости от размераD1
/> (1.8)
При непосредственномводородном охлаждении ширину пакетов bn выбирают — 0,05 м, а ширинувентиляционных каналов bK=0,005м
Число вентиляционныхканалов равно:
/> (1.9)
Число пакетов статора
/> (1.10)
Действительная длинастатора:
/> (1.11)
1.2 Проектированиеобмотки статора
В проектируемомтурбогенераторе применим двухслойную стержневую обмотку с числом катушечныхгрупп на фазу равным числу полюсов, с двумя эффективными проводниками на паз un1=2, с прямоугольными пазами и лобовымичастями корзиночного типа.
Полюсное деление статораравно:
/> (1.12)
Предварительное значениемагнитного потока в зазоре:
/> (1.13)
Число последовательносоединённых витков фазы обмотки статора:
/> (1.14)
Число последовательныхвитков стержневой обмотки cдвумя эффективными проводниками на паз un1=2, с одинаковыми катушками должноудовлетворять равенству:
/> (1.15)
Где q1– число пазов на полюс и фазупринимаем q1=12
а1 =1 числопараллельных ветвей
При этом число пазовравно:
Z1 = 2pm1q1= 2*3*12 = 72 (1.16)
Зубцовый шаг статора прикосвенном охлаждении обмотки должен находится в пределах t1= 0,03..0,07м и равен:
/> (1.17)
Полный пазовый ток равен:
/> (1.18)
и находится врекомендуемых пределах In1Aрасчётные
Оптимальная ширина пазаопределяется из соотношения (bn1/t1)опт=0,5 практическирекомендуется принимать ширину паза:
bn1= t1 (0,35..0,45)
принимаем bn1= 0,039*0,45=0,018м
Ширина зубца в узкомместе:
bZ1= t1 –bn1=0,039-0,018=0,021м (1.19)
Полученная ширина в узкомместе зубца должна удовлетворять ограничению:
/> (1.20)
условие выполняется
где Вz1m— индукция в коронке зуба ( 1,7 Тл);
lc1=(l-пkbk)kc=(1,81 – 32*0,005)*0.95 = 1,567м –длина чистой стали по оси статора;
kc=0,95 – коэффициент заполнения стальюпакетов статора.
Выбираем изоляцию паза порис.3 (класс В), на котором толщина по ширине и высоте изоляции позициямиобозначена так;
1) электрокартон надне паза — 0,1 мм;
2) миканит гибкийпод 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 отпропитки по ширине – 0,3мм; по высоте 1мм;
6) прокладка междустержнями – 2,5мм;
7) прокладка подклином — 1мм.
Допуски на укладку поширине – 0,3мм, по высоте – 0,2 мм.
Общая односторонняятолщина изоляции на паз /> поширине – 4,2мм, по высоте – 10 мм.
Определим предварительнуюширину проводника обмотки статора:
/> (1.21)
По ширине проводникапринимаем плотность тока в обмотке статора равной
j1 = 5,5 x 106 A/м2
Длина лобовой частиполувитка на данном этапе проектирования:
lлоб=1,7(2Uнл/ 105+ ) = 1,7(2*10500/105+0,83*1,413)= 2,35м (1.22)
Длина витка обмоткистатора:
/> (1.23)
Определим предварительноесечение эффективного проводника обмотки статора:
/> (1.24)
Высоту элементарногопроводника выбираем стандартной ам1 = 3мм, bм1=5мм,расчётное сечение Sc= 14,45 мм2
Число элементарныхпроводников в одном эффективном равно:
пэл =S1/ Sc= 375 / 14,45 = 26 (1.25)
Из рис.4. определяемокончательные размеры: bn1=20мм, hn1= 149мм.
Высота клина равнаширине паза nк = 0.98bn1= 15мм
hn1/ bn1= 149/20=7,45 – удовлетворяеттребованию (6..8,5)
h11= 110 мм; h4= 30мм
Определим высоту спинкистатора:
/> (1.26)
где Ba1=1,6 Тл – желаемая максимальнаяиндукция магнитного поля в ярме статора.
Внешний диаметр пакетастатора:
Da= D1+2(hn1+ha1) = 0,9+2(0,149+0,259) =1,72 м. (1.27)
1.3 Немагнитныйзазор
Относительное значениеиндуктивного сопротивления пазового рассеяния:
/> (1.28)
где Вб*м) – магнитная проницаемостьвакуума;
kкоэффициент, учитывающий уменьшениепазового расстояния.
Амплитуда н.с. статора наполюс:
/> (1.29)
Магнитный поток прихолостом ходе
/> (1.30)
Относительноесопротивление лобового рассеяния:
/> (1.31)
Индуктивное сопротивлениерассеяния обмотки статора в относительных единицах:
/> (1.32)
Индуктивное сопротивлениеПотье в о.е.
/> (1.33)
Синхронное индуктивноесопротивление взаимоиндукции хаd* = 2,0
Рассчитаем величинувоздушного зазора:
/>(1.34)
kd = 1,2 — коэффициент воздушного зазора
Рассчитанное значениевоздушного зазора турбогенератора примерно на 5 мм больше ориентировочнойвеличины.
II. Основные размеры и обмоточные данныеротора
2.1 Основныеразмеры зубцово-пазовой зоны
Внешний диаметр ротора:
D2 = D1– 2d = 0,9 – 2*0,042=0,816 м (2.1)
Активную длину роторавыбираем равную :
l2=l0,09 = 1,81+ 0,09 = 1,9 м (2.2)
Зададимся числомфактических пазов ротора во всей окружности:
Z0= 28
Для получения оптимальнойвеличины , обеспечивающей максимальноеприближение распределения поля возбуждения к синусоидальному выбираем значение Z2= 20, тогда
g = Z2/ Z= 20 / 28 = 0,71
иj (g) =5,5
Относительная высота пазаротораb2 = 0,18;
Рассчитаем предварительнуювысоту паза ротора:
hn2= b2 D2= 0,18*0,816 = 0,147м (2.3)
Относительная площадьфиктивного числа пазов ротора S0= 0,36
Предварительную ширинупаза определим по формуле:
/> (2.4)
2.2 Расчётобмотки ротора
Общий вид и размерыизоляции приведены ниже.
Ширина проводника обмоткиротора
b2= bn2–2dиз=46 – 2*2=42мм (2.5)
По сортаментуподбираем провод стандартных размеров – b2 = 35мм .
Следовательно, ширинапаза будет меньше bп2=40мм.
Напряжение возбуждениятурбогенератора выбираем в соответствии с
РН, uf= 210 B
Средняя длина виткаобмотки возбуждения
lfcc= 2 (l2+ lЛ2) = 2(1,9+1,1) = 6 м (2.6)
где предварительно
lЛ2=1,35D2= 1,35*0,816 = 1,1м (2.7)
Обмоточный коэффициентобмотки ротора:
/> (2.8)
Коэффициент приведениян.с. обмотки якоря к обмотке возбуждения:
/> (2.9)
Н.с. обмотки ротора присимметричном К.З. обмотки статора
/> (2.10)
При заданной статическойперегружаемости S и номинальном коэффициенте мощности /> н.с. обмотки ротора
Ffн= Ffk/> = 67149*0,8 = 53719A (2.11)
Высота проводника ротора:
/> (2.12)
Выбираем стандартнуювысоту проводника а2 = 4,4мм, площадь сечения которого S2= 153мм2
hk2=0,04 м высоту клина выбираем равнойширине паза.
Число эффективныхпроводников в пазу ротора
/> (2.13)
Dп= 0,0015м – толщина пазовой изоляцииротора
Из технологическихсоображений ширина зубца в узком месте должна быть не менее 0,0135м, проверим выполнениеэтого условия:
/> (2.14)
Условие выполняется.
Эскиз паза приведён нарис. 6, из которого окончательно установим размеры: hn2= 0,146м и bn2= 0,04м.
III.Электромагнитный расчёттурбогенератора
3.1 Расчётхарактеристики холостого хода
Расчёт характеристикихолостого хода проводится по основной пространственной гармонике поля в зазорене один полюс.
Намагничивающая силазазора равна:
/> (3.1)
где kd =kd1kd2kd pkd ckd 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 попродольной оси,
/> (3.3)
где kq— коэффициент, учитывающий пазыротора 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 tp= 12мм; bp= 6 мм
Магнитный поток взазоре, обусловленный основной гармоникой индукции в режиме холостого хода (приЕ0=UH)
/> (3.9)
Индукция в воздушномзазоре
/> (3.10)
Намагничивающая сила всеймагнитной цепи машины с учётом насыщения стальных участков на х.х.обеспечивающая Е0=UH
Ff= kmFd= 1,2* 30042=36050А (3.11)
где k=1,2 – для большинства турбогенераторов.
Таблица2.
Величина
Ед
Значение
E*
о.е.
0,58,
1,00
1,21
1,33
1,40
1,46
1,51
E0=UHE*
B
3516
6062
7335
8062
8487
8850
9154
Ф
Вб
0,61
1,24
1,28
1,41
1,48
1,55
1,60
В
Тл
0,38
0,75
0,79
0,87
0,91
0,95
0,98
F
A
15630
30042
32493
35784
37429
39074
40308
Ff*
о.е.
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
Ff= Ff* Ff0
A
9378
36050
58487
85882
112287
140666
169294
Построимхарактеристику холостого хода рис.7 в относительных единицах,
Е*=f (Ff*), точке Е*=1,0 соответствуютбазовые величины параметров.
3.2 Намагничивающаясила и ток обмотки возбуждения при номинальной нагрузке
Н.с. обмотки статора,приведённая к обмотке возбуждения
/> (3.12)
Угол jн=arccos(0,8) = 370, a1 = 60иjxp*IH* =0,13
По характеристике х.х.рис.6 находим соответствующий ток возбуждения
i*fE= 1,2. Н.с. обмотки возбуждения наполюс при номинальной нагрузке i*fН= 2,2. Т.к. н.с. возбуждения приведена к одному масштабу стоком возбуждения, то
F*fH= i*fH
Действительная н.с.возбуждения
FfH= F*fHFf= 2,2*36050 =79310А (3.13)
Номинальный токвозбуждения
ifН= 4 FfH / (Z2un2) =4*79310 / (20*18) =881 A (3.14)
3.3 Построениерегулировочной характеристики
Две точки регулировочнойхарактеристики i*f= f(I*) уже известны (1;0) и (2,2;1).
Для полученияпромежуточных 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 приведенана рис.8.
Активное сопротивлениеобмотки возбуждения:
/> (3.15)
Число катушек на полюс
q2= Z2/ 4 = 20/4 = 5 (3.16)
Уточнённое значениеноминального напряжения возбуждения
/> (3.17)
Номинальная мощностьвозбудителя
РfH= ufH*ifH= 138*881 =122 кВт
Выбираем возбудительВТ-450-3000
Номинальная мощность –470 кВт
Номинальное напряжение– 280В
Номинальный ток – 1680А
Номинальный КПД –91,5%.
3.4 Параметрыи постоянные времени турбогенератора
Под параметрамипонимаются активные и индуктивные сопротивления обмоток в симметричных и несимметричныхустановившихся и переходных режимах.
Активное сопротивлениефазы обмотки статора при рабочей температуре:
/> (3.18)
здесь S1= nэлSc= 26*0,00001445 = 0,000375м2– сечение эффективного проводника
Сопротивление фазыстатора в относительных единицах
/> (3.19)
Индуктивное сопротивлениереакции якоря по продольной оси
/> (3.20)
Индуктивное сопротивлениереакции якоря по поперечной оси приближённо
/> (3.21)
Синхронные индуктивныесопротивления по продольной и поперечной осям
/> (3.22)
Сверхпереходноеиндуктивное сопротивление по продольной оси
/> (3.23)
Индуктивное сопротивлениеобратной последовательности
/> (3.24)
Индуктивное сопротивлениенулевой последовательности (для /> )
/> (3.25)
Постоянная временизатухания апериодической составляющей тока внезапного короткого замыкания
При трёхфазном к.з.
/> (3.26)
При двухфазном к.з.
/>
При однофазном к.з.
/>
Статическаяперегружаемость турбогенератора определяется по формуле:
/> (3.27)
где i*fK–ток возбуждения, обеспечивающийноминальный ток статора при трёхфазном к.з. Этот ток определяется поспрямлённой ненасыщенной характеристике рис.9 х.х. для Е*=I*н х*d= 0,7*2.27 = 1,6
Кратности установившихсятоков к.з. (соответственно трёх-, двух- и однофазного) в о.е.
/>
/> (3.28)
/>
где />=2,2
Ударный ток внезапногосимметричного к.з. в о.е.
/> (3.29)
Заключение
В работе спроектировантурбогенератор с одной парой полюсов, с воздушным зазором 4,2 см, количествопазов ротора 20 и статора -72. Турбогенератор является неявнополюсной синхроннойэлектромашиной и может быть использован на ТЭЦ и АЭС, а также в атомныхэнергоустановках ледоколов.
Списокиспользованных источников
1. Пособие к курсовому и дипломному проектированию дляэлектроэнергетических 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 (Подобщ.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: Учебноепособие.- Самара: СамГТУ, 2000 – 69с.
4. Вольдек А.И. Электрические машины .-Л: Энергия, 1974г. –840с.