УСТРОЙСТВО ТУРБОГЕНЕРАТОРА ТРЕХФАЗНЫХ ТОКОВ ДВУХ РАЗЛИЧНЫХ ЧАСТОТ
TURBOGENERATOR UNIT OF THREE-PHASE CURRENTS OF TWO DIFFERENT FREQUENCIES

1.1. Область техники
Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим синхронным турбогенераторам переменного трехфазного тока с электромагнитным возбуждением и с дополнительными обмотками как на статоре, так и на роторе для генерации напряжений двух различных частот.
1.2. Уровень техники
Известен турбогенератор трехфазного тока с электромагнитным возбуждением, состоящий из шихтованного магнитопровода (статора) с цилиндрической расточкой и пазами на внутренней ее поверхности, в которых размещена распределенная обмотка переменного трехфазного тока и из ферромагнитного ротора, насаженного на вал, опирающийся своими концами на подшипники, один из концов которого соединен с приводным двигателем (турбиной) [1].
В пазах ферромагнитного ротора неявнополюсной конструкции уложена обмотка возбуждения постоянного тока, которая электрически соединена с вращающимся выпрямителем устройства бесщеточного возбуждения, жестко закрепленного на конце вала [2]. Питание обмотки возбуждения постоянного тока осуществляется электроэнергией устройства бесщеточного возбуждения при вращении ротора от приводного двигателя.
В указанном турбогенераторе при вращении ротора в результате взаимодействия магнитного поля вращающейся обмотки возбуждения постоянного тока с обмоткой статора в ней индуктируется переменная трехфазная электродвижущая сила (э.д.с), которая в дальнейшем при подключении к внешней сети должна синхронизироваться по величине, частоте и фазе с напряжением внешней сети.
1
Величину первой (основной) гармоники э.д.с. Е и ее частоту в общем случае определяют по формулам [1]:
,
где:
- W - число витков в фазе обмотки статора;
1
- Ф - первая гармоника потокосцепления фазы обмотки статора, Вб;
об.1
_
- k обмоточный коэффициент;
с.1
- k - коэффициент скоса пазов;
-  - частота переменной э.д.с, Гц;
1
- p - число пар полюсов обмотки статора и ротора;
1
- n - частота вращения ротора, об/мин.
1
1
В соответствии с формулой (2) трехфазное напряжение промышленной частоты 50 Гц на выходе синхронного турбогенератора при p=1 индуктируется при максимально возможной частота вращения ротора n=3000 об/мин.
Известно, что паровые (газовые) турбины, являющиеся приводными двигателями для турбогенератора, имеют наилучшие технико-экономические показатели (удельный расход топлива, к.п.д., удельная мощность и др.) при более высоких частотах вращения n≥6000 об/мин [3].
Недостатком данного технического решения турбогенератора переменного напряжения промышленной частоты 50 Гц является то, что для его привода используют промежуточный механический редуктор [3], что приводит к увеличению массы, габаритов и стоимости всего турбоагрегата в целом.
Другим близким по технической сущности к заявляемому устройству является техническое решение, используемое в электромашинном преобразователе частоты с фазным ротором [1], в котором при вращении ротора от приводного двигателя, в т.ч. при более высокой частоте вращения, и при подаче со стороны ротора трехфазного напряжения одной частоты можно получать со стороны статора трехфазное напряжение другой частоты, в т.ч. промышленной частоты 50 Гц.
Указанное техническое решение [1] нашло реализацию в способе и устройстве управления автономным асинхронным генератором [4] (аналог), в цепи трехфазной обмотки ротора которого используют регулируемый преобразователь частоты. При изменяющейся, например, при увеличении частоты вращения приводного двигателя неизменность частоты и амплитуды индуктируемой э.д.с. в трехфазной обмотке статора поддерживают путем соответствующего регулирования в сторону уменьшения частоты и амплитуды трехфазного тока на выходе упомянутого преобразователя частоты.
Недостатком данного технического решения является отсутствие возможности генерации переменных трехфазных напряжений двух различных частот.
Наиболее близким по технической реализации к заявляемому устройству является техническое решение главного турбогенератора повышенной частоты (200 Гц и более) в составе судовой единой электроэнергетической системы (ЕЭЭС) [5], вращение которого осуществляют непосредственно от турбины при частоте вращения n≥6000 об/мин (прототип).
Однако в указанном прототипе отсутствует возможность генерации переменного трехфазного напряжения промышленной частоты 50 Гц, необходимого для питания общесудовых потребителей. Для питания общесудовых потребителей трехфазным током промышленной частоты 50 Гц в составе судовой ЕЭЭС [5] используют преобразующие устройства, а именно каскадные матричные преобразователи частоты (КМПЧ) с параллельным соединением каскадов в составе централизованной системы отбора мощности (СОМ), которая в свою очередь питается от главных турбогенераторов повышенной частоты. Причем полная мощность указанных КМПЧ должна быть не менее суммы полных мощностей упомянутых потребителей с учетом их возможных перегрузок, что является причиной увеличения массы, габаритов и стоимости всей ЕЭЭС в целом, несмотря на использование повышенной частоты.
Задачей предложенного технического решения является обеспечение существенного снижения расчетной полной мощности необходимых преобразующих устройств, их общей массы и габаритов в составе судовой ЕЭЭС.
Технический результат предложенного устройства турбогенератора трехфазных токов двух различных частот состоит в том, что при использовании способа [6], наряду с генерацией электроэнергии двух различных частот - повышенной частоты 200 Гц и промышленной частоты 50 Гц - одновременно обеспечивают снижение расчетной полной мощности необходимых преобразующих устройств ориентировочно на 50% от суммы полных мощностей всех общесудовых потребителей промышленной частоты с учетом их возможных перегрузок.
1
2
1
2
1
Указанный технический результат достигается тем, что в предложенном устройстве турбогенератора трехфазных токов двух различных частот (повышенной  и промышленной ), содержащем ферромагнитный шихтованный статор с цилиндрический расточкой, на внутренней поверхности которой в общих пазах размещены две распределенные трехфазные обмотки переменного трехфазного тока повышенной частоты f1 и промышленной частоты fs=50 Гц - основная и дополнительная - с числом пар полюсов соответственно p и p при соблюдении условия p>p, и вращающийся ферромагнитный ротор неявнополюсной конструкции, состоящий из двух частей, насаженных на общий вал и расположенных внутри расточки статора, на наружных поверхностях которых в пазах размещены две распределенные обмотки возбуждения, причем на основной части ротора размещена обмотка возбуждения постоянного тока с числом пар полюсов p, подключенная к выходу устройства бесщеточного возбуждения, предусмотрены следующие отличия:
2
1. В пазы неявнополюсной конструкции второй дополнительной части ротора (шихтованного) вводят трехфазную обмотку возбуждения переменного тока с числом пар полюсов p, размещенную на дополнительной части ротора (шихтованного) и подключенную через контактные кольца и щетки к трехфазному выходу обратимого преобразователя частоты. Угловую частоту вращения  основной волны намагничивающей силы трехфазной обмотки возбуждения, размещенной в пазах дополнительной части ротора, поддерживают всегда ниже и в противоположном направлении угловой частоты вращения  ротора, т.е. поддерживают асинхронный режим с отрицательной частотой скольжения . Указанный режим позволяет по сравнению с КМПЧ в составе централизованной СОМ прототипа [5] существенно уменьшить расчетную полную мощность обратимого преобразователя частоты, следовательно, его общую массу и габариты.
2. Для реализации в турбогенераторе асинхронного режима с отрицательной частотой  скольжения в качестве обратимого преобразователя частоты используют каскадный матричный преобразователь частоты, входные клеммы каждого каскада которого соединяют через выключатели и согласующий трансформатор с внешней сетью повышенной частоты  аналогично КМПЧ в составе централизованной СОМ прототипа [5].
1.3. Краткое описание чертежей
Предложенное устройство поясняется чертежом, на котором изображена блок-схема (фиг. 1) построения турбогенератора трехфазных токов двух различных частот, реализующего способ генерации переменных напряжений [6].
В представленной блок-схеме (фиг. 1) используют следующие обозначения:
1 - статор;
1.1 - основная трехфазная обмотка;
1.2 - дополнительная трехфазная обмотка;
2 - трансформатор;
3 - выключатели;
4 - обратимый каскадный матричный преобразователь частоты (КМПЧ);
4.1 - трехфазные входы;
4.2 - трехфазный выход;
5 - выключатель;
6 - внешняя сеть повышенной частоты;
7 - выключатель;
8 - внешняя сеть промышленной частоты;
9 - основная часть ротора;
10 - дополнительная часть ротора;
11 - приводной двигатель (турбина);
12 - обмотка возбуждения постоянного тока;
13 - трехфазная обмотка возбуждения;
14 - устройство бесщеточного возбуждения.
1.4. Раскрытие изобретения
Предложенное техническое решение заключается в том, что в конструкцию ферромагнитного ротора, расположенного внутри расточки статора, введена дополнительная часть с размещенной в ее пазах трехфазной обмоткой возбуждения, а также введена дополнительная трехфазная обмотка на статоре, число пар полюсов которой отличается от числа пар полюсов основных обмоток, расположенных на статоре и на основной части ротора. Причем в цепь трехфазной обмотки возбуждения, размещенной на дополнительной части ротора, подключается обратимый КМПЧ, расчетная полная мощность которого существенно меньше (ориентировочно на 50%) КМПЧ в составе централизованной СОМ, используемой в прототипе [5].
Турбогенератор трехфазных токов двух различных частот имеет ферромагнитный шихтованный статор 1 с цилиндрической расточкой и пазами на внутренней ее поверхности, в которых наряду с основной трехфазной обмоткой 1.1 напряжения повышенной частоты размещают дополнительную трехфазную обмотку 1.2 напряжения промышленной частоты, распределенную в общих пазах (фиг. 1).
1
Основную обмотку 1.1, предназначенную для генерации переменного трехфазного напряжения, в т.ч. высоковольтного, повышенной частоты  и имеющую число пар полюсов p=2, соединяют через согласующий трансформатор 2 и выключатели 3 с трехфазными входами 4.1 каждого каскада обратимого КМПЧ 4, а также через выключатель 5 соединяют с внешней сетью 6 повышенной частоты.
2
Дополнительную трехфазную обмотку 1.2, предназначенную для генерации переменного трехфазного напряжения промышленной частоты  и имеющую число пар полюсов p=1, соединяют через выключатель 7 с внешней сетью 8 промышленной частоты 50 Гц.
Внутри расточки статора 1 располагают цилиндрический ротор из ферромагнитного материала, состоящий из основной 9 и дополнительной 10 частей неявнополюсной конструкции, насаженных на общий вал, опирающийся своими концами на подшипники (на рис. не показано), один из концов которого соединяют непосредственно с приводным двигателем (турбиной) 11.
1
2
На наружной поверхности каждой части ротора имеются пазы. В пазах основной части ротора 9 размещают распределенную обмотку возбуждения постоянного тока 12 с числом пар полюсов p=2, а в пазах дополнительной части ротора 10 (шихтованного) размещают распределенную трехфазную обмотку возбуждения 13 с числом пар полюсов p=1.
Обмотку возбуждения постоянного тока 12 электрически соединяют с выходом устройства бесщеточного возбуждения 14, расположенного на одном из концов вала. Трехфазную обмотку возбуждения 13 электрически соединяют с тремя контактными кольцами, расположенными и жестко закрепленными на другом конце вала (на рис. не показано).
Контактные кольца посредством трех неподвижных электрических щеток (на рис. не показано) пофазно соединяют с трехфазным выходом 4.2 обратимого каскадного матричного преобразователя частоты (КМПЧ) 4, обладающего возможностью регулирования амплитуды и частоты  выходного тока.
Устройство турбогенератора трехфазных токов двух различных частот по предложенному техническому решению работает следующим образом.
Предварительно приводным двигателем (турбиной) 11 производят пуск и разгон турбогенератора до частоты вращения  и осуществляют подключение цепи электропитания обмотки возбуждения постоянного тока 12 к устройству бесщеточного возбуждения 14.
В результате взаимодействия магнитного поля вращающейся обмотки возбуждения постоянного тока 12 с основной трехфазной обмоткой 1.1 статора 1 в последней возникает переменное трехфазное напряжение повышенной частоты , которое через согласующий трансформатор 2 и выключатели 3 поступает на трехфазные входы 4.1 каждого каскада обратимого КМПЧ 4.
Обратимый КМПЧ 4 преобразует переменное трехфазное напряжение повышенной частоты  в трехфазное напряжение промышленной частоты , которое при плавном увеличении его амплитуды и частоты от нуля до номинального значения  через трехфазный выход 4.2, электрические щетки и контактные кольца поступает в трехфазную обмотку возбуждения 13 дополнительной части ротора 10.
Далее намагничивающие токи, возникающие в трехфазной обмотке возбуждения 13, создают пространственную основную волну (гармонику) намагничивающей силы [1] на дополнительной части ротора 10, угловая частота вращения  которой направлена в противоположную сторону относительно направления вращения обеих частей ротора 9 и 10.
Причем в предложенном устройстве турбогенератора трехфазных токов двух различных частот используют асинхронный режим с отрицательной частотой  скольжения по способу [6], в соответствии с которым угловую частоту вращения  основной волны намагничивающей силы трехфазной обмотки возбуждения 13 поддерживают всегда ниже угловой частоты вращения  обеих частей ротора 9 и 10.
1
2
С целью исключения взаимного электромагнитного влияния обеих обмоток, расположенных как в общих пазах статора 1.1; 1.2, так и на обеих частях ротора 12; 13, их числа пар полюсов должны в соответствии со способом [6] удовлетворять условию p>p.
В результате взаимодействия суммарного магнитного поля от двух вращающихся обмоток возбуждения 12 и 13 с основной 1.1 и дополнительной 1.2 обмотками статора 1 в них индуктируются переменные трехфазные э.д.с. вращения:
- с частотой  - в основной обмотке 1.1;
- с частотой скольжения  - в дополнительной обмотке 1.2 (знак - «минус» характеризует передачу электроэнергии в сеть).
Затем генерируемая электроэнергия в упомянутых обмотках 1.1; 1.2 статора 1 в виде трехфазных токов двух различных частот ;  через выключатели 5; 7 после их синхронизации по частоте и напряжению поступает во внешние сети 6; 8 переменного напряжения соответствующей частоты.
1
Кроме того, в период пуска и разгона турбогенератора до угловой частоты вращения ω и после перевода его в асинхронный режим с отрицательной частотой  скольжения в трехфазной обмотке возбуждения 13, расположенной на дополнительной части ротора 10, индуктируется переменная противо-э.д.с. с частотой . Под действием этой противо-э.д.с. электроэнергия трехфазных токов через контактные кольца и щетки поступает на трехфазный выход 4.2 обратимого КМПЧ 4.
Указанная электроэнергия после обратного преобразования в трехфазный ток с частотой  поступает на трехфазные входы 4.1 каждого каскада обратимого КМПЧ 4 и через выключатели 3, согласующий трансформатор 2 и выключатель 5 после синхронизации по частоте и напряжению передается во внешнюю сеть 6 повышенной частоты .
осн
доп
доп
Расчетная полная мощность предложенного устройства турбогенератора определяется как сумма полных мощностей, потребляемых внешними сетями как от основной (Р) обмотки 1.1 статора 1, так и от дополнительной (P) обмотки 1.2. Причем последняя Р обычно определяется как сумма полных мощностей всех общесудовых потребителей во внешней сети промышленной частоты 8 с учетом их возможных перегрузок.
2
Расчетная полная мощность Р трехфазной обмотки возбуждения 13 дополнительной части ротора 10, а также равная ей расчетная полная мощность обратимого КМПЧ 4 определяется в соответствии с [1] по формуле:
,
где:  - скольжение дополнительной части ротора 10 в относительных единицах (знак - «минус» характеризует передачу электроэнергии в сеть).
1
Таким образом, предложенное техническое решение устройства турбогенератора трехфазных токов двух различных частот имеет необходимое обоснование и наряду с расширением функциональных возможностей прототипа по способу [6] обеспечивает при частоте вращения ротора n=6000 об/мин заявленный технический результат, т.е. существенное снижение (на ~50%) расчетной полной мощности, следовательно, общей массы и габаритов необходимых преобразующих устройств (обратимого КМПЧ) в составе судовой ЕЭЭС.
Литература
1. Вольдек А.И. Электрические машины. М.: Энергия, 1978. - С. 366; 375; 593.
2. Яковлев Г.С. Судовые электроэнергетические системы. Л.: Судостроение, 1987. - С. 61.
3. Турбогенераторы блочные типа ТГ. Продукция ОАО «Калужский турбинный завод»; интернет: www.oaoktz.ru.
4. Способ управления автономным асинхронным генератором. Мещеряков В.Н., Иванов А.Б., Куликов А.И. Патент РФ 2213409, кл. H02P 9/00 от 26.04.2001.
5. Судовая электроэнергетическая система переменного напряжения повышенной частоты с системой электродвижения и матричными преобразователями частоты. Александров В.П., Скворцов Б.А., Хомяк В.А. Патент РФ № RU 2510781 С2, кл. H02J 3/34 от 17.07.2012.
6. Способ генерации переменных напряжений двух различных частот в турбогенераторе трехфазного тока. Скворцов Б.А. Заявка на изобретение №2015132456 кл. H02P 9/00 от 04.08.2015 г.