Турбогенераторы

Общие сведения и элементы конструкции

Мощные синхронные турбогенераторы в СССР изготавливаются на 3 000 об/мин. Внешний вид турбогенератора дан на рис. 3-1.
Постоянный ток в обмотке возбуждения создает намагничивающую силу возбуждения FB и соответствующий ей магнитный поток Фв, неподвижные относительно продольной оси ротора. При вращении ротора поток Фв пересекает стержни обмотки статора и возбуждает в них синусоидальные э. д. е., имеющие частоту, соответствующую скорости вращения ротора. Величина э. д. с. в каждой обмотке статора в каждый момент времени определяется положением ротора относительно оси соответствующей фазы статора. Так, если продольная ось ротора совпадает с осью обмотки фазы, магнитный поток Ф не образует потокосцеплений и не создает в стержнях данной обмотки э. д. с. (э. д. с. равна нулю). При повороте ротора на некоторый угол силовые магнитные линии потока начинают пересекать витки обмотки, образуются потокослепления и в фазе обмотки А возникает э. д. е., достигающая максимального значения при повороте ротора на 90°.
Магнитное состояние машины определяется характеристикой холостого хода, представляющей зависимость напряжения на выводах обмотки статора или э. д. е., образованной магнитным потоком возбуждения, от тока в обмотке возбуждения при скорости вращения, равной номинальной:
Типовая характеристика и векторная диаграмма холостого хода турбогенератора даны на рис. 3-2,в. Из векторной диаграммы видно, что векторы напряжения U\ и э. д. с. £ю отстают от векторов FB и Фв, совпадающих с продольной осью ротора, на угол 90°. Нелинейность характеристики холостого хода указывает на то, что в режиме холостого хода магнитная система машины насыщена?
После включения генератора в сеть на симметричную нагрузку по обмоткам статора начинают протекать токи с частотой которые создают реакции якоря, вращающуюся в пространстве синхронно с н. с. возбуждения FB. Результирующий магнитный поток синхронной машины создается взаимодействием н. с. возбуждения и реакции якоря, а электромагнитный момент пропорционален произведению результирующего магнитного потока и тока в обмотках статора:
Активная нагрузка турбогенератора определяется количеством поданного в турбину пара, создающего вращающий момент. Электромагнитный момент генератора направлен противоположно вращающему моменту турбины Мт и оказывает тормозящее действие на вал агрегата.
Построение векторных диаграмм для расчетов работы генераторов под нагрузкой в эксплуатации с достаточной степенью точности может производиться без учета активных сопротивлений обмоток статора. Тогда уравнение напряжений при нагрузке, соответствующей току статора для насыщенной машины выражается равенством: где — реактивность или фиктивное индуктивное сопротивление машины, учитывающее насыщенное состояние ее магнитной цепи.
На рис. 3-2,г дана упрощенная диаграмма турбогенератора, работающего с индуктивной нагрузкой. Из нее видно, что индуктивная нагрузка уменьшает насыщенное состояние магнитной цепи генератора за счет размагничивающего действия реакции якоря (вектор результирующей меньше, чем вектор н. с. Возбуждения FB). Предельным случаем индуктивной нагрузки является режим короткого замыкания вблизи выводов генератора, когда токи в обмотках статора увеличиваются по сравнению с нормальным режимом в 7—10 раз, а напряжение на выводах статора приближается к нулю. Из векторной диаграммы турбогенератора для этого случая (рис. 3-2,д) виден размагничивающий эффект тока короткого замыкания (н. с. реакции якоря почти полностью компенсирует н. с. возбуждения FB). Прямолинейный характер зависимости представляющей собой характеристику короткого замыкания, указывает на то, что магнитное состояние машины в установившемся режиме короткого замыкания близко к ненасыщенному. Чем ниже характеристика короткого замыкания, тем больше размагничивающее действие тока короткого замыкания.
Размагничивающее действие тока статора во всех режимах характеризует величина отношения короткого замыкания (ОКЗ), представляющая собой отношение тока короткого замыкания при возбуждении, соответствующем номинальному напряжению, к номинальному току статора.
Чем больше ОКЗ, тем меньше кратность тока ротора, соответствующего режиму нагрузки по отношению к току ротора, соответствующему режиму холостого хода, и меньше бросок переходного тока ротора в момент короткого замыкания. В асинхронном режиме работы турбогенератора величина ОКЗ равна потребляемому из сети току статора в относительных единицах. Увеличение ОКЗ повышает запас статической устойчивости турбогенератора и, за исключением асинхронных режимов, во всех остальных случаях величину ОКЗ желательно иметь возможно большей.
Увеличение ОКЗ достигается увеличением воздушного зазора машины и требует повышения мощности системы возбуждения. И то и другое приводит к удорожанию генератора. Стоимость генератора связана с величиной ОКЗ соотношением: где К\ и Кг—стоимости двух генераторов.
Из экономических соображений с увеличением единичной мощности турбогенераторов величины ОКЗ несколько уменьшаются (до ,58—0,59).
Проще всего величину ОКЗ можно определить из совмещенного построения характеристик холостого хода и короткого замыкания. Построения упрощаются в случае спрямления характеристики холостого хода одним из методов, применяемых в зависимости от рассматриваемого режима работы генератора. Так, спрямление характеристики холостого хода для расчетных режимов, близких режиму короткого замыкания (магнитная система не насыщена), выполняется проведением касательной в начальной точке кривой (рис. 3-3). Для расчетных режимов, близких к режиму холостого хода (магнитная система не насыщена), характеристика спрямляется через точку, соответствующую номинальному напряжению при холостом ходе.
По спрямленным характеристикам холостого хода можно также определить индуктивные сопротивления генератора, соответствующие среднему насыщенному и ненасыщенному состояниям его магнитной системы.
Рабочее индуктивное сопротивление обмотки статора, соответствующее среднему насыщению магнитной системы, определяется по спрямленной характеристике холостого хода, выраженной уравнением        (прямая /), а индуктивное сопротивление, соответствующее ненасыщенному состоянию магнитной системы, по спрямленной характеристике холостого хода, соответствующей уравнению. Для одного и того же значения тока возбуждения генератора э. д. с. Обычно величина отношения колеблется в пределах 1,1—1,2.
Величина ОКЗ в относительных единицах обратно пропорциональна рабочему синхронному сопротивлению.