Системы независимого возбуждения

Бесщеточные системы возбуждения  турбогенераторов

  Основное  преимущество бесщеточных систем возбуждения  состоит в исключении щеток и контактных колец. Применение вращающегося выпрямительного блока открывает возможности создания наиболее компактной возбудительной системы.

  Идея  создания бесщеточной синхронной машины была впервые высказана О. Ирион  в 1927 г. [135, 136]. В 30—40-х годах Е. Г. Комар [137] и Е. А. Ватсон [138] предложили дальнейшее развитие этой идеи. В последующем проводились интенсивные исследования в области бесщеточных систем возбуждения синхронных машин в СССР и за рубежом  [139].

  В 50-х годах специалисты фирмы «Вестингауз» (США) провели разработки, на основе которых был создан бесщеточный возбудитель для турбогенератора мощностью 50 МВА, 3600 об/мин [141, 142]. Обращенный трехфазный вспомогательный генератор мощностью 180 кВт с частотой 420 Гц имеет собственные подшипники и подвозбудитель с постоянными магнитами в консольном исполнении. Вращающийся выпрямительный блок выполнен по мостовой трехфазной системе, с двумя последовательными диодами и тремя параллельными ветвями в каждом плече. Номинальное напряжение и ток возбуждения 250 В и 720 А. Защита кремниевых диодов осуществляется кварцевыми предохранителями с серебряной вставкой. Предохранители имеют указатели их целости. АРВ и бесщеточный возбудитель обеспечивают точность поддержания напряжения турбогенератора Регулирование достигается за счет изменения тока возбуждения неподвижного индуктора. Бесщеточная система возбуждения успешно эксплуатируется до настоящего времени.

  В дальнейшем фирма «Вестингауз» перешла  к широкому использованию бесщеточных возбудителей для турбогенераторов. Уже в 1965 г. эксплуатировалось более 30 таких возбудителей. В дальнейшем практически все возбудительные системы вплоть до мощности 3500 и 4400 кВт и более выпускаются в бесщеточном исполнении  [143].

Опыт  фирмы «Вестингауз» был использован  фирмой «Сименс» (ФРГ), а позднее вновь созданной фирмой «Крафтверкунион» (ФРГ), которая перешла к серийному изготовлению бесщеточных возбудителей на турбогенераторах мощностью 200, 400 [144] и 750 МВА. В частности, самые крупные в мире турбогенераторы 4-полюсного типа, 1500 об/мин, мощностью 1500—1600 МВА выпускаются этой фирмой с бесщеточными возбудителями. В последнем случае в одной ветви трехфазной мостовой схемы используются 40 параллельных кремниевых диодов на 200 А и обратное напряжение 2500 В. Номинальный ток возбудителя равен 12 000 А. Предохранители с плавкой вставкой (один предохранитель на два диода) рассчитаны на ток 800 А и напряжение 750 В. Подвозбудитель 400 Гц с постоянными магнитами мощностью 120 кВА в режиме форсирования  работает с мощностью 160-170 кВА. Передача тока от вращающегося выпрямительного блока к обмотке ротора турбогенератора осуществляется, как и фирмой «Вестингауз», через муфту с пружинящими серебряными контактами (пальцы-гнезда), что обеспечивает надежный контакт в условиях неизбежной вибрации валопровода. На основе расчетов вибрационного состояния валопровода было найдено, что наилучшим решением является выполнение возбудителя с одним подшипником на конце валопровода. Второй опорой возбудителя служит подшипник главного генератора.

  Фирма «Жемон-Шнейдер» (Франция) в 1968 г. изготовила первый бесщеточный возбудитель для турбогенератора мощностью 600 МВт, 3000 об/мин. Вращающийся выпрямитель этого возбудителя выполнен по трехфазной мостовой схеме. Каждое плечо выпрямителя состоит из 12 параллельных цепей, образованных двумя последовательно соединенными вентилями и плавкими предохранителями. Полное число кремниевых диодов равно 144, а число предохранителей — 72. Имеется стробоскопическое устройство для наблюдения за целостностью предохранителей. Система возбуждения имеет следующие показатели: в номинальном режиме напряжение 475 В, ток 3300 А; в режиме форсирования длительностью 10 с напряжение 760 В, ток 5280 А.

  Весьма  интересны работы фирмы «Альстом» (Франция) по бесщеточным возбудителям серии турбогенераторов мощностью 900 - 1000 МВт, 1500 об/мин для АЭС. Вращающийся якорь закрепляется консольно на валу турбогенератора и расположен снаружи индуктора. Такое решение позволяет иметь компактную плоскую конструкцию с малой длиной. Возможность этого основана на том, что при частоте вращения агрегата 1500 об/мин вращающиеся части машины могут иметь больший диаметр, чем при 3000 об/мин.

  Энергетическое  управление Англии проявляет большой интерес к бесщеточным системам возбуждения турбогенераторов. Поэтому обе крупные электротехнические фирмы «Парсонс» и «Дженерал Электрик» занимаются разработкой, изготовлением и внедрением таких систем для мощных блоков 500 и 660 МВт, 3000 об/мин [145, 146]. В связи с накопленным положительным опытом в эксплуатации первых установок упомянутое управление начиная с 1969 г. заказывает турбогенераторы мощностью 660 МВт только с бесщеточным возбудителем.

  В качестве примера технических показателей  вращающихся выпрямительных блоков можно привести данные для бесщеточного возбудителя турбогенератора 660 МВт, разработанного фирмой «Дженерал Электрик» (Англия) в 1969 г. Общее число кремниевых диодов (в каждой ветви по одному диоду) равно 54; они имеют следующие параметры: средний ток 250 А, обратное напряжение 3000 В. Возбудитель в целом удовлетворительно работает в длительном режиме при токе 4450 А и напряжении 550 В, а также в режиме форсирования при токе 6150 А и напряжении 760 В. Таким образом, в длительном режиме каждый диод будет иметь средний ток 165 А при напряжении 550 В.

  Следует обратить внимание на ряд оригинальных решений, используемых фирмой «Парсонс» в бесщеточных возбудителях [131].

1. Измерение тока возбуждения с помощью кольца, к одной точке которого подводится ток возбуждения турбогенератора, а от второй точки, смещенной на 180 эл. град, по отношению к первой, ток отводится. При таком прохождении тока по кольцу исключается намагничивание вала. Ток, протекающий по кольцу, создает магнитный поток, который измеряется датчиком Холла.
2. Измерение  напряжения  возбуждения  производится   с  помощью вращающегося радиопередатчика и неподвижных приемника и регистрирующего прибора.
3. Температура  обмотки ротора вычисляется цифровым устройством на основе измерений напряжения и тока возбуждения.
4. Целостность   предохранителей   выявляется  неоновой   лампочкой, включаемой параллельно  предохранителю. Свет лампочки воспринимается неподвижным фотоэлементом.
5. Измерение напряжения, приложенного к изоляции обмотки возбуждения, по отношению к потенциалу земли производится, как и измерение напряжения возбуждения, с помощью радиопередатчика  и  приемника. При  недопустимом  снижении  уровня изоляции срабатывает сигнализация.

  Ряд интересных работ в области бесщеточных  возбудителей был выполнен в Японии [147, 148], Швейцарии [149] и Бельгии [150].

  В связи с тем что в СССР работы в области создания и внедрения бесщеточных систем возбуждения турбогенераторов были начаты позднее, чем за рубежом, возникла трудная научно-техническая проблема: не повторять решений зарубежных фирм, а разработать более совершенные системы возбуждения с тем, чтобы осуществить их внедрение на блоках мощностью 300 МВт и создать таким образом основу для разработки бесщеточного возбудителя турбогенератора мощностью 1200 МВт. В частности, были проведены исследования и созданы кремниевые диоды на повышенные токи и напряжения. Это позволило уменьшить количество диодов во вращающемся выпрямительном блоке и исключить последовательное соединение диодов, причем диоды рассчитаны на работу с большими ускорениями (до 7000—8000 g, где g — ускорение силы тяжести). Кроме того, в целях упрощения конструкции вращающегося выпрямительного блока диоды имеют два исполнения: с нормальным р—n переходом и обращенным п—р- переходом [151].

Разработка  и создание бесщеточных возбудителей для мощных турбогенераторов в нашей стране ведутся в двух направлениях отличающихся схемным и конструктивным исполнением синхронного генератора-возбудителя. Одно из них, принятое ЛПЭО «Электросила» и ВНИИэлектромаш, основывается на использовании трехфазного возбудителя с синусоидальной формой эдс обмотки якоря генератора; другое, принятое ПО «Электротяжмаш», — на применении многофазного возбудителя с трапецеидальной формой кривой эдс обмотки якоря.

  Бесщеточная система возбуждения ЛПЭО «Электросила»  — ВНИИэлектромаш впервые была применена для турбогенераторов типа ТВВ-320-2 с целью накопления опыта проектирования и эксплуатации бесщеточных возбудителей.

  Сначала был создан и испытан на стенде завода опытный вращающийся выпрямительный блок с тремя контактными кольцами для подвода трехфазного питания и двумя контактными кольцами для выпрямленного тока. Далее изготовили и испытали на заводском стенде бесщёточную систему возбуждения, которая позднее была установлена, испытана и введена в эксплуатацию на Киришской ГРЭС на блоке мощностью 300 МВт.

  Опытно-промышленный образец бесщеточной системы  возбуждения турбогенератора ТВВ-320-2 пущен в эксплуатацию на Киришской ГРЭС в 1972 г. Затем после некоторой модернизации такие бесщеточные возбудители были установлены в 1974 г. на Рязанской и Литовской ГРЭС. Бесщеточный возбудитель турбогенератора ТВВ-320-2 явился базовой конструкцией для более мощных бесщеточных возбудителей. На нем проверены основные схемные и конструктивные решения, которые широко использованы при создании бесщеточных возбудителей для турбогенераторов мощностью 500, 1000 и 1200 МВт.

  В качестве возбудителя выбран трехфазный синхронный генератор обращенного исполнения, у которого якорная обмотка вращается, а индукторная неподвижна. При разработке было рассмотрено несколько вариантов исполнения синхронного генератора с разными частотами. Наиболее приемлемым как по затратам активных материалов, так и по параметрам оказался генератор частотой 150 Гц.

  Все элементы вращающегося выпрямителя  размещены на двух токоведущих колесах из магнитной стали, причем одно из них имеет положительную, второе — отрицательную полярность. Оба насажены с натягом горячей посадкой на изолированную втулку п отделены друг от друга в аксиальном направлении воздушным промежутком. Втулка с колесами насаживается на вал с натягом прессовой посадкой.

В ободе  каждого колеса имеется по 36 наклоненных к продольной оси радиальных отверстий, являющихся напорным элементом вентиляционной цепи вращающегося выпрямителя. 18 диодов прямой проводимости располагаются на кольцевом силуминовом радиаторе одного колеса, а 18 диодов обратной проводимости размещаются на таком же радиаторе другого колеса. Силуминовые радиаторы в виде кольца, имеющего 180 вентиляционных аксиальных отверстий прямоугольного сечения (по 10 отверстий на каждый диод), запрессовываются в вентильные колеса. Диоды крепятся к радиаторам винтами.

  Переменный  ток от обмотки якоря синхронного генератора подводится по шинам токоподвода через предохранители, которые располагаются на уступах вентильных колес против каждого из диодов. Предохранители изолированы от вентильных колес текстолитовыми прокладками. Изолированные шпильки токоподвода переменного тока располагаются аксиально в вентильных колесах. Постоянный ток отводится от вентильных колес по шинам токоподвода постоянного тока и токоведущим болтам, которые соединяются со стержнями токоподвода, расположенными в осевом отверстии вала.

  Вращающийся выпрямитель располагается в  разъемном корпусе, имеющем внутренние щитки и воздухоразделительные перегородки. При вращении охлаждающий воздух прогоняется через воздухоохладители, расположенные в фундаментной плите, засасывается в радиаторы и снимает тепловые потери. Использование вентильных колес в качестве токоведущих элементов и вентилятора, а также рациональное размещение диодов и предохранителей на вентильных колесах дали возможность получить компактную конструкцию вращающегося выпрямителя с минимальным количеством токоведущих перемычек и изоляции.

  Синхронный  генератор и вращающийся выпрямитель  обособлены друг от друга и имеют собственные корпусы и автономные замкнутые вентиляционные системы. Водяные воздухоохладители выпрямителя и синхронного генератора располагаются в фундаментной плите возбудителя. Подвозбудитель, установленный за подшипником возбудителя на фундаментной подставке, имеет с валом возбудителя эластичное соединение посредством торсионного валика. Для снижения уровня шума возбудительных агрегатов применяется наружный кожух.

  Для передачи постоянного тока от вращающегося выпрямителя к обмотке возбуждения  турбогенератора Г. П. Вартаньян  предложил и осуществил клиновой электрический разъем в соединительной муфте между турбогенератором и возбудителем. Идея этого предложения заключается в том, что между двумя парами шин, изолированных от полумуфт, под действием центробежных сил входят в соприкосновение два клина: один для шинопровода с положительным, а второй для шинопровода с отрицательным потенциалом. Шины и клинья изготовляются из меди с посеребрёнными поверхностями. Проверка такого простого способа показала его высокую эффективность и надежность.

Для контроля за целостностью предохранителей и  измерения тока ротора турбогенератора было разработано, выполнено и испытано оригинальное бесконтактное устройство. Оно состоит из двух зубчатых дисков. Один из них размещен на валу между якорем возбудителя и выпрямителем, второй — на валу между возбудителем и подвозбудителем. Число пазов дисков равно числу ветвей катодной или анодной групп выпрямителя. Через каждый паз первого диска проходит провод, подключенный к средней точке двух ветвей, одна из которых относится к анодной, вторая — к катодной группе вентилей. В результате в каждом проводе протекает ток одного вентиля катодной и одного вентиля анодной групп. Для выявления этих токов на неподвижной траверзе около окружности первого диска размещаются два датчика токовых импульсов, которые представляют собой П-образные сердечники с обмотками и смещены в пространстве относительно друг друга на 60 эл. град. Второй диск без проводников в пазах используется для отметки начала отсчета и выдачи синхронных порядковых импульсов. Логическая схема позволяет выявить одну или более ветвей выпрямителя, в которых нет тока. При этом на передней панели устройства бесконтактного контроля и измерения (УБКИ) загорается индикаторная лампа, указывающая номер соответствующей ветви. Кроме того, подается сигнал о выходе одной или более ветвей из строя. При выходе из строя двух ветвей запрещается форсирование возбуждения воздействием на АРВ.