Математическая модель для расчетов нагрева обмоток судовых синхронных генераторов при токовой сушке

Для обеспечения энерго – и ресурсосбережения, повышения электропожаробезопасности, интенсификации технологических режимов прогрева требуются современные способы восстановления сопротивления изоляции судовых синхронных генераторов в эксплуатационных условиях на судах [71].

Одним из самых известных и легко контролируемых способов восстановления сопротивления изоляции синхронных генераторов (СГ) является сушка путем нагрева обмоток током [11]. Целесообразно использовать следующие способы сушки: током в обмотке возбуждения от сварочного агрегата для неподвижной машины; в режиме короткого замыкания вращающейся машины, при этом обмотка возбуждения питается от сварочного агрегата. Мощность источника при сушке крупных судовых СГ, обеспечивающего нагрев обмоток 70…80ºС, должна быть достаточно велика [11, 107, 109].

Тепловой расчет СГ в режиме сушки удобно проводить, используя тепловую схему замещения (рис. 2.1). Система уравнений для этой схемы имеет вид:

(θ₁ – θ₃) / R_1-3 = Р_1;

(θ₂ – θ₃) / R_2-3 = Р₂; (2.1)

(θ₃ – θ₁) / R_1-3 + (θ₃ – θ₂) / R_2-3 + θ₃/R_3-0 = Р₃,

где, θ₁, θ₂, θ₃ – превышения температуры для обмоток статора, ротора и внутренней полости машины, соответственно, К;

R_1-3, R_2-3, R_3-0 – тепловые сопротивления между соответствующими частями машины, а также между внутренней полостью машины и окружающей средой, К/Вт;

Р₁, Р₂, Р₃ – мощности, рассеиваемые соответственно в статоре, роторе и внутренней полости, Вт.

Такая схема замещения СГ является достаточно точной для оценки ожидаемых температур сушки. Для системы уравнений (2.1) легко получить аналитическое решение:

θ₁ = Р₁R_1-3 + θ₃;

θ₂ = Р₂R_2-3 + θ₃;

θ₃ = R_3-0 (Р₁ + Р₂ + Р₃). (2.2)

L t1UKDXHTtVBSKC5JzEtJzMnPS7VVqkwtVrK34+UCAAAA//8DAFBLAwQUAAYACAAAACEAEAG8TMMA AADbAAAADwAAAGRycy9kb3ducmV2LnhtbERPS2uDQBC+F/oflin0InHNo0FsNqEELPGQQ20vvU3d qUrdWXE3xvz7bCDQ23x8z9nsJtOJkQbXWlYwjxMQxJXVLdcKvj7zWQrCeWSNnWVScCEHu+3jwwYz bc/8QWPpaxFC2GWooPG+z6R0VUMGXWx74sD92sGgD3CopR7wHMJNJxdJspYGWw4NDfa0b6j6K09G wSKNync+5ofVT6FzfJl/j9GyUOr5aXp7BeFp8v/iu/ugw/wl3H4JB8jtFQAA//8DAFBLAQItABQA BgAIAAAAIQDw94q7/QAAAOIBAAATAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAABbQ29udGVudF9UeXBlc10ueG1s UEsBAi0AFAAGAAgAAAAhADHdX2HSAAAAjwEAAAsAAAAAAAAAAAAAAAAALgEAAF9yZWxzLy5yZWxz UEsBAi0AFAAGAAgAAAAhADMvBZ5BAAAAOQAAABAAAAAAAAAAAAAAAAAAKQIAAGRycy9zaGFwZXht bC54bWxQSwECLQAUAAYACAAAACEAEAG8TMMAAADbAAAADwAAAAAAAAAAAAAAAACYAgAAZHJzL2Rv d25yZXYueG1sUEsFBgAAAAAEAAQA9QAAAIgDAAAAAA== ">

Рис. 2.1. Упрощенная тепловая схема замещения судового синхронного генератора

Значения тепловых сопротивлений для СГ различной мощности можно получить из графиков (рис. 2.2).

Анализ процесса сушки судовых СГ в режиме короткого замыкания (КЗ) показал, что в начале сушки ток в обмотках должен составлять 0,2…0,4, а затем доводиться до 0,5…0,7 от номинального. При этом необходимый ток возбуждения определяется по характеристике КЗ генератора.

Рис. 2.2. Зависимость тепловых сопротивлений от полной мощности S судовых синхронных генераторов (сопротивления с индексом «неп» относятся к неподвижным, «вр» - к вращающимся машинам)

Недостатком этого способа является длительная работа дизеля практически без нагрузки. Особенно трудно осуществить этот способ сушки на валогенераторах. При сушке неподвижного СГ током в цепи обмотки возбуждения сильно нагревается обмотка ротора и значительно слабее – обмотки статора [11].

В эксплуатационных условиях на судах опробован новый способ сушки СГ, когда в обмотку возбуждения неподвижной машины подается переменный ток. При этом в генераторе создается пульсирующее магнитное поле, воздействующее на успокоительную обмотку и обмотки статора [7]. Магнитное поле машины зависит в основном от индуктивного сопротивления обмотки возбуждения, определяемого (в Ом) по формуле:

X_ƒ= 2πƒμ₀τℓW²_ƒ k_ƒ k_ф /πk_δk_μdδp, (2.3)

где ƒ – частота сети, Гц;

μ₀ =4π · 10^–7 – магнитная проницаемость воздуха, Гн/м;

τ, ℓ - полюсное деление и длина пакета статора, м;

W_ƒ = W _п · 2р – общее число витков обмотки возбуждения (W _п – число витков полюсов, 2р – число пар полюсов);

k_ƒ = 0,95…1,1 – коэффициент формы кривой магнитного поля обмотки возбуждения;

k_ф = 0,85…0,95 – коэффициент потока явнополюсной синхронной машины;

k_δ = 1,2…1,25 – коэффициент воздушного зазора;

k_μd = 1 – коэффициент насыщения магнитной цепи по продольной оси;

δ – ширина воздушного зазора, м.

При отсутствии в судовой технической документации значений параметров τ и ℓ их ориентировочные значения можно найти из графика (рис. 2.3).

Результирующее индуктивное сопротивление с учетом только успокоительной обмотки

Х^'_ƒ = Х_δƒ + Х_ƒХ_δy /(Х_ƒ + Х_δу) ≈ (0,13…0,15) Х_ƒ, (2.4)

где Х_δƒ, Х_δy – обусловленные потоками рассеяния индуктивные сопротивления обмоток возбуждения и успокоительной.

При замкнутой накоротко обмотке статора результирующее сопротивление СГ со стороны обмотки возбуждения

Х^"_ƒ = Х_δƒ + 1/(1/Х_ƒ + 1/Х_δy +1/Х_δα) ≈ (0,08… 0,10) Х_ƒ, (2.5)

где Х_δα – индуктивное сопротивление обмотки статора.

Мощность (Вт), выделяемая в обмотках, определяется их активными сопротивлениями и при разомкнутой обмотке статора составляет

Р^'_ƒ = U² cos φ/ Х^'_ƒ,

а при замкнутой

Р^"_ƒ = U²cos φ/Х^"_ƒ,

Рис. 2.3. Основные размеры синхронных генераторов

где U – напряжение, подводимое к обмотке возбуждения, В;

cos φ = 0,5…0,6 – коэффициент мощности с учетом потерь в магнитопроводе.

Мощность, рассеиваемую в обмотке статора, можно приближенно найти как разность Р^"_ƒ и Р^'_ƒ. При этом систему уравнений (2.2) можно записать в следующем виде:

θ₁ = R_1-3 (Р^"_ƒ - Р^'_ƒ) + θ₃;

θ₂ = R_2-3Р^'_ƒ + θ₃;

θ₃ = R_3-0Р^"_ƒ. (2.6)

Зная потери в обмотках, можно по формулам (2.2) и (2.6) определить их нагрев.

Предлагаемый способ сушки позволяет достаточно равномерно нагревать обмотки ротора и статора машины. Недостатком этого способа является небольшая мощность потерь, так как большое индуктивное сопротивление по формулам (2.4) и (2.5) снижает значения токов в обмотках, которые при напряжении U = 220В составляют 0,1…0,2 номинального значения. Однако если длительность процесса сушки или восстановления сопротивления изоляции не является важной, такой способ сушки весьма эффективен, что было подтверждено опытами в эксплуатационных условиях на судах.

Таким образом, с помощью приведенных формул можно выбрать наиболее целесообразный способ сушки СГ и рассчитать необходимые для сушки токи или напряжения, а также проверить, не будет ли температура сушки превышать максимально допустимую.

Пример расчета

Валогенератор DGFS – 1825-28, S = 1320 кВ·А, 2р = 28, δ = 4,5 мм, W_п = 44.

По формуле (2.3) с помощью рис.2.3 находим Х_ƒ = 215,7 Ом.

По рис.2.2 определяем значения тепловых сопротивлений для неподвижной машины:

R_1-3неп=2·10^-2К/Вт, R_2-3неп=0,5·10^-3 К/Вт, R_3-0=0,5·10^-2К/Вт.

По формулам (2.4) и (2.5): при U = 220В, cos φ = 0,6, Р^'_ƒ = 900Вт, Р^"_ƒ = 1344Вт.

Подставляя полученные значения в формулу (2.6), получим: θ ₁=15,6 К, θ ₂=7,2 К, θ ₃=6,7 К.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: