Содержание материала

В последние десятилетия в стране и за рубежом активно ведутся разработки, изготовление и применение на практике регулируемых электромашинно-тиристорных комплексов. Создаваемые на базе последних достижений такие комплексы обладают рядом принципиальных преимуществ по сравнению с обычными электрическими машинами. Это определяется более широкими возможностями регулирования эксплуатационных характеристик агрегатов, обеспечением лучшей адаптации к изменяющимся условиям работы с целью повышения экономичности и надежности работы установок.
Электромашинно-тиристорные комплексы разрабатываются и применяются в качестве регулируемых по частоте вращения электроприводов. Вместе с тем электромашинно-тиристорные комплексы уже находят применение и являются перспективными в качестве генераторов. Генераторно-тиристорные комплексы позволяют решать полностью или частично дополнительные по отношению к обычным генераторным установкам задачи:
повышение экономичности работы за счет регулирования частоты вращения в зависимости от параметров энергоносителя первичного двигателя при сохранении неизменной частоты вырабатываемой электроэнергии;
расширение диапазонов регулирования активной и реактивной мощности, в том числе глубокое потребление последней;
повышение статической и динамической устойчивости параллельной работы самих машин, систем передачи электроэнергии, энергосистем в целом;
улучшение качества управления переходными процессами;
повышение эксплуатационной надежности, в частности готовности самих генераторных установок, за счет органического наличия у некоторых из них избыточности в основных цепях и в системах управления, сокращение за этот счет эксплуатационных расходов.
Естественно, это достигается некоторым усложнением и увеличением стоимости как вследствие установки тиристорных преобразовательных устройств, так и усложнения в некоторых случаях собственно электрической машины.
Генераторно-тиристорные комплексы по месту подключения преобразователен частоты можно разделить на две группы.
В первую группу входит синхронный или асинхронный генератор, связанный с сетью через тиристорный преобразователь частоты, мощность которого равна мощности генератора. Последнее обстоятельство определяет большие габариты и высокую стоимость установок, что соответственно ограничивает область применения, особенно в зоне больших мощностей.
Ко второй группе относятся так называемые асинхронизированные синхронные генераторы или просто асинхронизированные генераторы (АСП), состоящие из машины переменного тока и преобразователя в цепи возбуждения, обеспечивающего возможность создания управляемых магнитных полей по двум взаимно перпендикулярным осям ротора (продольной и поперечной). Система обмоток возбуждения может иметь две фазы и более и быть симметричной или несимметричной.
Достоинством такого комплекса является меньшая, зависящая от требуемого диапазона изменения частоты вращения мощность преобразователя (обычно не более 20 - 25 % мощности генератора).
Наличие на роторе многофазной (две фазы и более) системы обмоток возбуждения с раздельным управлением по осям позволяет, помимо изменения поля возбуждения, что характерно для обычных синхронных машин, изменять (причем быстро) угловое положение поля относительно ротора. Это создает поле, вращающееся относительно ротора, и обеспечивает при практически симметричной системе обмоток возбуждения вращение ротора с частотой, отличной от синхронной. Ток возбуждения переменный и имеет частоту, равную электрической частоте скольжения ротора.
Раздельное управление возбуждением по осям позволяет независимо регулировать активную (электромагнитный момент) и реактивную мощности (напряжение). Это же существенно повышает статическую и динамическую устойчивость машины, особенно в зоне потребления реактивной мощности. У АСГ снимается ограничение последнего режима по условиям устойчивости, что характерно для обычных синхронных генераторов; работа в таком режиме ограничивается лишь нагревом обмоток и торцевых зон статора (у турбогенераторов).
Существенным с точки зрения эксплуатации достоинством АСГ является то, что при повреждениях в цепях возбуждения возможно сохранить агрегат в работе в синхронном режиме с возбуждением по одной из осей ротора или же в асинхронном режиме без возбуждения при закороченных обмотках ротора. Возможность управления у АСГ частотой и фазой генерируемой ЭДС независимо от частоты вращения ротора существенно упрощает процесс их синхронизации с сетью и с другими машинами. Асинхронизированные генераторы могут быть технически и экономически целесообразны не только Для традиционных тепловых и гидравлических электростанций средней и большой мощности, но и для ветроэлектрических установок, некоторых типов малых ГЭС. Кроме того, асинхронизированные машины могут эффективно использоваться для работы в режимах как генератора, так и двигателя для обратимых агрегатов гидроаккумулирующих электростанций и приливных электростанций, а также в так называемых асинхронизированных электромеханических преобразователях частоты для гибкой связи между электрическими сетями, имеющими различные номинальные частоты, или при одинаковых номинальных частотах для повышения устойчивости и управляемости связей, а также для ограничения (если это необходимо) передачи тех или иных возмущений или анормальностей от потребителя в сеть (в частности, больших ударных нагрузок) и наоборот - от сети к потребителю.
Асинхронизированные турбогенераторы (АСТГ). Самым значительным достижением последних лет в области АСТГ является создание наиболее мощного в мире турбогенератора этого типа
200 МВт, 3000 мин-1 (АСТГ-200). Турбогенератор АСТГ-200 сконструирован на базе серийного синхронного турбогенератора типа ТГВ-200М той же номинальной мощности.
Статор турбогенератора АСТГ-200 отличается от статора машины ТГВ-200М лишь некоторыми изменениями конструкции торцевых зон для снятия ограничений по их нагреву при потреблении реактивной мощности.. Это достигнуто оптимальным соотношением длин сердечника статора, бочки ротора и зазора между статором и ротором в концевой зоне, выполнением радиальных просечек под дном пазов концевых пакетов сердечника, установкой медных экранов под номинальными фланцами, выполнением последних из немагнитной стали с большим удельным сопротивлением и др.
Особенностью конструкции ротора является размещение на нем двух одинаковых обмоток возбуждения, сдвинутых по окружности на 90° (зл.). Каждая обмотка присоединена к своей паре контактных колец. Для улучшения условий работы генератора в асинхронном режиме без возбуждения на роторе концевые пазовые клинья выполнены из бронзы специального профиля, которые в сочетании с другими деталями из этого же материала образуют в торцевых зонах пояса, имеющие высокую электропроводность в тангенциальном направлении. Охлаждение турбогенератора смешанное:  обмотка статора включая соединительные шины и выводы - водой, остальное - водородом. Длительно допустимое скольжение по условиям нагрева массива бочки ротора равно ± 0,2 %.
Каждый из двух тиристорных реверсивных возбудителей, состоящих из двух силовых вентильных секций, присоединен к одной обмотке возбуждения.

На базе серийных синхронных турбогенераторов типа ТЗВ полностью с водяным охлаждением разработаны АСТГ мощностью 110, 220 и 320 МВт. Роторы этих турбогенераторов имеют полную магнитную и электрическую симметрию; на них размещены по две ортогональные концентрические обмотки возбуждения. Кроме того, роторы имеют полные демпферные системы из меди. Первые машины такого типа введены в эксплуатацию в 1995-1996 гг.
Начаты проработки АСТГ с полностью воздушным охлаждением. Предполагается за счет уменьшения величины воздушного зазора снизить требуемую намагничивающую силу обмоток возбуждения и соответственно потери в них и создать генераторы с единичной мощностью, большей, чем у синхронного турбогенератора с такой системой охлаждения.
В принципе все достоинства асинхронизированных машин вообще и АСТГ в частности справедливы и для гидроэлектрических станций и гидроаккумулирующих электростанций.