При использовании точной синхронизации должна быть введена блокировка от несинхронного включения.

Для турбогенераторов, обычно, 250 -300 кВт/мин при первом нагружении и

1 МВТ/мин при прогретой и уже работавшей перед этим турбиной. Специальной проверки и специальных ограничений для генератора не требуется.

Однако в исключительных случаях на генераторе могут иметь место большие скорости изменения нагрузки, например, при действии АРВ или даже ФВ скорость изменения реактивной нагрузки, а значит и полной нагрузки велика, также при регулировании активной нагрузки генератора в пиковом режиме или при регулировании частоты. Поэтому дополнительно рассмотрим поведение обмоток ротора и статора при пуске и наборе нагрузки. При этом необходимо учесть, что постоянные времени нагрева обмоток и активной стали генератора существенно отличаются: тепловая постоянная нагрева активной стали – 40 минут, обмотки ротора в среднем 2 мин., обмотки статора- около 1 мин.

Условия теплового расширения стержней обмотки ротора и статора существенно различаются из-за того, что одни вращаются, а другие неподвижны, поэтому рассмотрим отдельно поведение обмотки ротора и статора при пуске.

При увеличении нагрузки статора стержни обмотки удлиняются, происходит также удлинение изоляции и возникает механические напряжения растяжения в изоляции, их-то и нужно оценить из-за меньшей прочности материала изоляции по сравнению с материалом обмотки. Медь обмотки и изоляция удлиняются одинаково из-за значительной силы сцепления, поэтому рассматриваем удлинение обмотки, а механические напряжения рассчитываем для изоляции. Механические напряжения в изоляции зависят от скорости деформации σ = φ(v_удл), а допустимые напряжения σ_доп= φ(t) –от длительности воздействия (рис.1).

Скорость теплового удлинения стержня пропорциональна скорости изменения его температуры v_удл =dl/dt= ε_мdτ/dt. Скорость превышения температуры может быть определена в предположении адиабатного нагрева стержня по приближенной формуле dτ/dt=j²/200. Коэффициент линейного расширения меди ε_м =16,5 ∙10^-6 мм/ мм град. Находим скорость относительного удлинения стержней в секунду:

v_удл=ε_м j² /200 =16,5∙10^-6 j² /200=8,25∙10^-8 j² или в минуту: v_удл = 5∙10^-6 j².

Плотность тока в обмотке современных генераторов составляет (5 -7) А/мм² , и скорость удлинения стержня при внезапном приложении к нему полной токовой нагрузки равна (0,12- 0,25)∙10^-3 1/мин. При таких скоростях напряжения растяжения не превосходят значений 9- 10 МПа, а разрушающие напряжения – более 22 МПа (рис.1), т.е. рассматриваемый режим внезапного изменения нагрузки от нуля до максимального значения неопасен для изоляции.

Рис.1

Стержни обмотки вращающегося ротора при внезапном нагружении полным током и повышении их температуры не могут свободно удлиняться в пазах ротора, этому препятствуют силы трения из-за центробежных усилий, возникающих при вращении ротора. Тепловое удлинение медных стержней переходит в деформацию сжатия. Если при этом будет превзойден предел текучести меди, деформация окажется необратимой. После остановки генератора и остывания обмотки ротора стержни укоротятся, их сечение окажется увеличенным. Многократные пуски и остановы генератора приводят к значительному укорочению стержней, увеличению их сечения и могут вызвать повреждение изоляции. В генераторах с непосредственным охлаждением ротора деформация стержней вызывает сужение проходного сечения вентиляционных каналов, в результате возможны местные перегревы обмотки ротора.

Проведем соответствующие расчеты для определения механических напряжений сжатия. Центробежная сила, прижимающая к пазовому клину проводник обмотки длиной l м, сечением q м², при плотности меди =9 г/см³ (или 9 кг/м³), радиусе ротора R и частоте вращения n =3000 об/мин:

F_ц = mω²R = γlqR(2πn/60)² =9∙10³∙lqR(2π3000/60)²=9∙10⁸∙lqR [H].

Если принять, что стержень обмотки совершенно не удлиняется из-за возникающего трения, то механическое напряжение сжатия при нагревании стержня в любом его сечении σ_{сж макс} =μ F_ц / q, где μ - коэффициент трения (для рассматриваемых условий может быть принят равным 0,5).

Таким образом, если диаметр ротора равен 1,1 м и наибольший радиус витка 0,55 м, то максимальное напряжение сжатия в сечении крайнего стержня при выходе его из паза, т.е. на расстоянии l м от края лобовой дуги может составить: σ _{сж макс} = 9∙10⁸∙ 0,5∙ 0,55∙ 1∙10^-6 = 247 МПа.

Прочностные характеристики меди следующие:

Таким образом, приближенный расчет показывает, что необратимые деформации вполне вероятны.

Действительное напряжение сжатия будет меньше, т.к. паз при нагреве также удлиняется, и напряжение определяется фактической разностью температур меди и стали, отставанием во времени повышения температуры стали.

Разность удлинений меди и стали ротора при их свободном расширении при нагревании:

Δl =Δl _м- Δl _ст = ε_м l (θ_м-θ₀) –ε _стl (θ_ст-θ₀),

где ε_м, ε_ст –линейные коэффициенты теплового расширения меди и стали, θ_м, θ_ст, θ₀ – температуры меди, стали и окружающей среды.

Запишем выражение в виде

Δ l =l [ ε_м θ_м –ε _ст θ _ст- θ₀(ε_м –ε_ст)].

Напряжение сжатия в меди при невозможности свободного растяжения

σ_м = (Δl / l)∙ Е = Е [ ε_м θ _м-ε_ст θ_ст-(ε_м-ε_ст) θ₀].

Подставляем в формулу модуль упругости меди Е=10⁵ МПа,

ε_м=17∙10^-6 1/ град, ε _ст =12∙10^-6 1/град, получим σ_м= 1,7θ_м- 1,2θ_ст- 0,5θ₀.

В установившемся режиме при θ₀=20°, θ_ст= 60° для различных температур меди получим следующие значения напряжений сжатия в меди обмотки ротора:

Θ град. 90 100 110 120 130 140 145

σ МПа 71 88 105 122 139 156 165

Таким образом, даже в стационарных режимах при расчетных температурах 130°- 145° в меди обмотки возникают напряжения сжатия, близкие к пределу текучести, что в некоторых случаях может привести к остаточным деформациям меди и последующему укорочению витков обмотки ротора, сопровождающемуся повреждением изоляции. В турбогенераторах с непосредственным охлаждением ротора при укорочении витков в вентиляционных каналах стержней возникает сужение проходного сечения и условия охлаждения резко ухудшаются, возможны перегревы обмотки ротора.

Мы рассмотрели установившийся режим нагрева. Особенно же опасным является режим, когда при пуске сразу после включения генератора в сеть резко возрастает ток ротора. Это может быть при действии форсировки возбуждения. Тогда вследствие значительного различия тепловых постоянных меди и стали разность их температур окажется велика (рис.2), и напряжение сжатия в обмотке ротора будут выше предела пропорциональности, что неизбежно приведет к остаточным деформациям.

Рис. 2

Например, при θ_ст =θ₀ =20°, θ_м = 120°, σ_м = 170 МПа. Поэтому при изготовлении стержней в качестве материала принимают сплав меди с серебром, что повышает предел текучести.

Кроме того, вероятность совпадения форсировки возбуждения с моментом включения холодного генератора в сеть достаточно мала, и поэтому мала вероятность значительных остаточных деформаций меди обмотки ротора, которые к тому же зависят от количества циклов нагревания и остывания ротора.

ЛЕКЦИЯ 9

ВИБРАЦИИ ГЕНЕРАТОРОВ.

При работе вращающихся машин и аппаратов наблюдаются вибрации.

Вибрации – это колебание деталей около среднего (равновесного) значения при малой величине размаха отклонений (по сравнению с размерами деталей) и относительно большой частотой.

Вибрации наблюдаются часто, но нежелательное воздействие оказывают повышенные вибрации, о них и пойдет речь. Повышенные вибрации вызывают деформации и напряжения в деталях, могут повлечь за собой излом деталей или всего агрегата, нарушение крепления к фундаменту, нарушение швов. Даже небольшие вибрации приводят к усталости материала и всем неприятным последствиям. Вибрации электрических машин передаются основаниям, конструктивным элементам зданий и могут вызвать повреждения последних.

Электромагнитные усилия могут вызвать вибрацию и при отсутствии движения или вращения. Примером является вибрация стальных листов сердечников трансформаторов и статоров генераторов. При неудовлетворительной запрессовке отдельные листы под воздействием внутренних напряжений коробятся, принимают волнистую форму, стремятся разойтись. Когда магнитный поток проходит вблизи амплитудного значения, листы выпрямляются и сближаются, когда магнитный поток приближается к нулю, листы возвращаются в прежнее положение, таким образом, возникают знакопеременные усилия и деформации. Обнаруживают эти деформации по специфическому шуму. Вибрации могут привести к разрушению изоляции между листами, разрушению изоляции стяжных болтов вследствие трения о края вибрирующих листов, возникает усталость материала и последующие поломки. В эксплуатации наблюдались случаи, когда стальные листы сердечника из-за вибрации прорезали изоляцию и попадали в зазор. Поэтому при монтаже необходимо плотно прессовать сердечники, прижимать листы друг к другу так, чтобы силы трения препятствовали перемещениям. В эксплуатации наблюдают за шумом сердечников.

Вернемся к вибрациям генераторов.

Электромагнитные силы тяжения меду ротором и статором действуют так, что участки статора, расположенные в зоне больших зубцов смещаются к оси машины, а расположенные в зоне малых зубцов – от оси (рис.1). При вращении ротора изгиб сердечника следует за вращающимся магнитным полем, возникает вибрация частотой 100 Гц не только активной стали, но и обмотки, заложенной в его пазы. Наконец, вибрации обмотки усиливаются под действием электродинамических сил взаимодействия токов ротора и статора, пропорциональных квадрату тока и изменяющихся тоже с частотой 100 ГЦ. Эти силы особенно велики в современных генераторах с непосредственным охлаждением с повышенной плотностью тока в обмотках.

рис.1

Уменьшение уровня вибраций и предотвращения аварийных последствий в основном является конструкторской задачей. При проектировании и изготовлении машин принимаются меры по отстройке отдельных узлов статора от резонансных частот, виброизоляции узлов между собой, повышению жесткости конструкции лобовых дуг и т.д.

Однако нужно учитывать, что с течением времени вибрационные характеристики генераторов ухудшаются. Поэтому в эксплуатации необходимо тщательно следить за уровнем вибрации.

Причинами повышенных вибраций могут быть следующие факторы:

1) Несимметрия электромагнитных усилий.

2) Неуравновешенность вращающихся частей машины.

3) Тепловая нестабильность ротора и другие.

Несимметрия электромагнитных сил, вызывающих вибрацию машины, может возникнуть в результате неравномерного воздушного зазора или появления виткового замыкания в обмотке ротора. Неравномерность воздушного зазора нарушает равенство электромагнитных сил, действующих между роторными полюсами и статором. В месте меньшего зазора электромагнитные силы больше, так как они пропорциональны квадрату индукции и обратно пропорциональны величине зазора.

При витковом замыкании магнитные потоки обоих полюсов двухполюсной машины остаются равными друг другу. Но распределение магнитной индукции становится несимметричным относительно поперечной оси ротора. Неуравновешенное усилие будет перемещаться вместе с ротором и вызовет вибрации.

Одним из признаков того, что вибрация возникла из-за несимметрии магнитного потока, вызванной витковым замыканием или неравномерностью зазора, является зависимость от величины тока возбуждения. При снятом возбуждении вибрация полностью исчезает. Однако для получения полной уверенности в наличии виткового замыкания, как правило. Достаточно измерить сопротивление обмотки ротора переменному току при номинальной частоте вращения и по мере снижения ее до нуля и сопоставить полученный результат с данными приемных испытаний.

Нарушение неуравновешенности ранее отбалансированного ротора может произойти из-за неплотной запрессовк5и обмотки, при ослаблении посадки бандажных или центрирующих колец. Низкое качество изготовления или ремонта ротора может привести к вылету лопаток, ослаблению посадки дисков. При больших частотах вращения роторов даже небольшая неуравновешенность вызывает значительную несбалансированную центробежную силу, создающую вредные нагрузки на ротор и подшипники и вызывающую их вибрацию. Так при неуравновешенности в 1 кг на радиусе 0,5 м и частоте вращения 3000 об / мин центробежная сила будет равна 50000 Н.

При механической неуравновешенности ротора вибрация проявляется уже на холостом ходу и мало зависит от изменения нагрузки.

У современных мощных турбогенераторов длина бочки ротора превосходит диаметр в 5- 6 раз, статический прогиб достигает 1 мм, и такого небаланса оказывается достаточно, чтобы при частоте вращения 3000 об/мин возникали значительные деформации с частотой 50 Гц. На это конструкция рассчитана. Но из-за температурной деформации обмоток, неравномерных потоков охлаждающего газа по вентиляционным каналам возникает неравномерный нагрев бочки ротора по окружности, что приводит к изменению упругой линии прогиба ротора и нарушению его уравновешенности. Например, для ротора длиной 8000 мм разность температур на противоположных образующих бочки всего на 2 градуса приводит к прогибу ротора 0,17 мм, т.е. дополнительным вибрациям.

Контроль вибрации генераторов, синхронных компенсаторов и электродвигателей производится измерением амплитуды ее на крышках подшипников в трех направлениях: вертикальном, горизонтально-поперечном и горизонтально-осевом. Оценка состояния машины производится по наихудшей вибрации любого подшипника. Установлены следующие нормы оценки вибрации: