EA002196B1

EA002196B1 - Вращающаяся электрическая машина

Info

Publication number: EA002196B1
Application number: EA200000363A
Authority: EA
Inventors: Эрланд Сёренсен; Матс Лейён
Original assignee: Абб Аб
Priority date: 1997-09-30
Filing date: 1998-09-29
Publication date: 2002-02-28
Also published as: EA200000363A1; NZ503658A; JP2001518780A; WO1999017432A1; NO20001318D0; SE9703555L; PL339569A1; AU9292198A; ZA988874B; CN1272246A; SE512721C2; NO20001318L; CA2305422A1; SE9703555D0; BR9812569A; KR20010052083A; IL134819A0; EP1020012A1; AU736279B2

Abstract

Вращающаяся электрическая машина переменного тока, предназначенная для непосредственного подключения к распределительной или магистральной сети, имеет, по меньшей мере, одну электрическую обмотку. Обмотка содержит, по меньшей мере, один электрический проводник, первый полупроводящий слой, окружающий проводник, твердый изолирующий слой, окружающий первый полупроводящий слой, и второй полупроводящий слой, окружающий изолирующий слой. Для возбуждения машины она снабжена бесщеточной системой возбуждения, способной переключаться между положительным и отрицательным возбуждением. Такая вращающаяся электрическая машина входит в состав электростанции. Согласно способу возбуждения вращающейся электрической машины как с положительным, так и с отрицательным направлением тока возбуждения, параллельно обмотке (4) возбуждения машины временно подключают двустороннее средство (8, 10, 12, 14) защиты от повышения напряжения возбуждения или двустороннюю цепь разряда.

Description

Область техники

Настоящее изобретение относится к вращающейся электрической машине переменного тока, предназначенной для непосредственного присоединения к распределительной или магистральной сети и содержащей, по меньшей мере, одну электрическую обмотку. Изобретение также относится к электростанции, содержащей такую электрическую машину, и к способу возбуждения вращающейся электрической машины.

Уровень техники

Вращающаяся электрическая машина, выполненная согласно изобретению, может быть синхронной машиной, машиной с двойным питанием, машиной с явно выраженными полюсами или машиной с синхронным потоком.

Для того чтобы присоединять машины подобного типа к распределительным или магистральным сетям, в дальнейшем называемым электрическими сетями, до настоящего времени использовались трансформаторы, повышающие напряжение до уровня сети, то есть до 130-400 кВ.

Генераторы, имеющие номинальное напряжение до 36 кВ, описаны в статье Раи1 В. 81еб1ег. 36 кУ Оепега1ог8 Апке Вот 1п§и1айоп Векеагсй, Е1ес1г1са1 \Уог1й. 15 Ос1оЬег 1932, р.524-527. Эти генераторы содержат обмотки из высоковольтного кабеля, в котором изоляция разделена на слои с различными диэлектрическими постоянными. Используемый изолирующий материал состоит из различных комбинаций трех компонент: слюдяной фольги, лака и бумаги.

Было установлено, что при выполнении обмотки электрической машины из изолированного электрического проводника с твердой изоляцией, подобной той, которая используется в кабелях для передачи энергии, напряжение на машине может быть увеличено до таких уровней, что машина может быть присоединена к любой электрической сети без использования промежуточных трансформаторов. Типичный рабочий диапазон таких машин составляет 30800 кВ.

В настоящее время во вращающихся электрических машинах используются статические возбудители или бесщеточные возбудители с вращающимися диодными выпрямительными мостами. Часто требуется, чтобы оборудование возбуждения могло в течение 10-30 с создавать максимальное напряжение и максимальный ток, в 1,5-3 раза превышающие соответствующие величины при номинальной нагрузке. Оборудование возбуждения также должно быть способно создавать ток возбуждения, эквивалентный току возбуждения при номинальной нагрузке, при напряжении на зажимах статора машины, составляющем 25% от номинального значения. Система возбуждения предпочтительно не должна требовать обслуживания, то есть не должна содержать контактных колец. Время отклика и продолжительность переходных процессов при возмущениях в сети должны быть малыми, то есть оборудование возбуждения должно быть в состоянии генерировать как положительное, так и отрицательное напряжение возбуждения. В случае синхронного компенсатора система возбуждения должна быть в состоянии вырабатывать как положительный, так и отрицательный ток возбуждения, а требуемое пиковое значение напряжения может более чем в три раза превосходить напряжение возбуждения при номинальной нагрузке.

Бесщеточные возбудители устраняют проблемы загрязнения угольной пылью от щеток и контактных колец. Однако бесщеточные возбудители, выполненные в соответствии с известными подходами, имеют худшие характеристики управления, чем статические возбудители.

Цель настоящего изобретения, таким образом, состоит в создании вращающейся электрической машины, которую можно непосредственно присоединять к электрической сети и которая снабжена не требующей обслуживания системой возбуждения с улучшенными характеристиками управления, а также в создании электростанции, содержащей такую электрическую машину, и способа возбуждения вращающейся электрической машины.

Сущность изобретения

Указанная цель достигается при помощи вращающейся электрической машины, имеющей отличительные признаки, указанные в п. 1 формулы изобретения, электростанции, выполненной в соответствии с п.17 формулы изобретения, и способа в соответствии с п.18 формулы изобретения.

Изолированный проводник или высоковольтный кабель, использованный в настоящем изобретении, является гибким и относится к типу, описанному более подробно в международных заявках XVО 97/45919 и 97/45847. Изолированный проводник или кабель описан также в международных заявках νθ 97/45918, 97/45930 и 97/45931.

Так, в устройстве, выполненном согласно изобретению, обмотки предпочтительно выполнены аналогично кабелям, имеющим твердую, полученную путем экструзии изоляцию, как, например, кабели, используемые для распределения электроэнергии, такие как кабели с изоляцией из полиэтилена с межмолекулярными связями или кабели с изоляцией из этиленпропиленового каучука. Такой кабель содержит внутренний проводник, состоящий из одной или более жил, внутренний полупроводящий слой, окружающий проводник, твердый изолирующий слой, окружающий этот полупроводящий слой, и внешний полупроводящий слой, окружающий изолирующий слой. Такие кабели являются гибкими, что является важным в данном случае, так как изготовление устройства соглас но изобретению основано, главным образом, на выполнении обмотки из кабелей, которые изгибаются во время сборки. Гибкость кабеля с изоляцией из полиэтилена с межмолекулярными связями обычно соответствует радиусу изгиба приблизительно 20 см для кабеля диаметром 30 мм и радиусу изгиба приблизительно 65 см для кабеля диаметром 80 мм. В настоящей заявке термин гибкий означает, что обмотка может быть изогнута с радиусом кривизны приблизительно до четырех диаметров кабеля, предпочтительно от восьми до двенадцати диаметров кабеля.

Обмотка должна быть сконструирована так, чтобы она сохраняла свои свойства даже в случае, когда она изогнута и подвергается воздействию тепловых или механических напряжений во время работы. Существенно, чтобы в этом случае слои сохраняли свою адгезию друг к другу. Свойства материалов слоев играют здесь решающую роль, в особенности их упругость и относительные коэффициенты теплового расширения. Например, в кабеле с изоляцией из полиэтилена с межмолекулярными связями изолирующий слой может состоять из полиэтилена низкой плотности с межмолекулярными связями, а полупроводящие слои - из полиэтилена с добавлением частиц сажи и металла. Изменения объема в результате температурных флуктуации полностью поглощаются изменениями радиуса кабеля и, благодаря сравнительно малой разнице между коэффициентами теплового расширения слоев в сравнении с упругостью этих материалов, радиальное расширение может происходить без потери адгезии между слоями.

Комбинации материалов, упомянутых выше, следует рассматривать только как примеры. Другие комбинации материалов, удовлетворяющих указанным условиям, а также условию полупроводимости, т.е. имеющие удельное электрическое сопротивление в пределах 10^-1 10^-6 Ом-см, например 1-500 Ом-см или 10-200 Ом-см, естественно, также попадают в рамки изобретения.

Изолирующий слой может состоять, например, из твердого термопластичного материала, такого как полиэтилен низкой плотности, полиэтилен высокой плотности, полипропилен, полибутилен, полиметилпентен, материала с межмолекулярными связями, такого как полиэтилен с межмолекулярными связями, или каучука, такого как этиленпропиленовый каучук или силиконовый каучук.

Внутренний и внешний полупроводящие слои могут быть выполнены из того же основного материала, но с добавлением в него частиц проводящего материала, такого как сажа или металлический порошок.

На механические свойства этих материалов, в частности, на их коэффициенты теплово го расширения, относительно слабо влияет добавка сажи или металлического порошка, по меньшей мере, в количествах, требуемых, чтобы достичь такой проводимости, какая необходима согласно изобретению. Изолирующий слой и полупроводящие слои, таким образом, имеют, по существу, одинаковые коэффициенты теплового расширения.

Подходящими полимерами для создания полупроводящих слоев могут являться сополимеры этилен-винил-ацетат / нитрильный каучук, полиэтилен, привитый бутил-каучуком, сополимеры этилен-акрилат и сополимеры этиленэтил-акрилат.

Даже когда в качестве основы различных слоев используются различные типы материалов, желательно, чтобы их коэффициенты теплового расширения были, по существу, одинаковыми. Именно это и имеет место для комбинаций материалов, перечисленных выше.

Материалы, перечисленные выше, имеют относительно хорошую упругость, их модуль упругости Е меньше 500 МПа, предпочтительно меньше 200 МПа. Такая упругость достаточна для того, чтобы любые незначительные различия между коэффициентами теплового расширения материалов слоев поглощались в радиальном направлении за счет упругости материала, чтобы не появлялось никаких трещин или других повреждений и слои не отделялись друг от друга. Материал слоев является упругим, а адгезия между слоями, по меньшей мере, не меньше, чем прочность наименее прочного из материалов.

Проводимость двух полупроводящих слоев достаточна, по существу, для выравнивания потенциала вдоль каждого слоя. Проводимость внешнего полупроводящего слоя достаточна, чтобы удерживать электрическое поле в кабеле, но достаточно мала, чтобы не вызвать существенных потерь из-за индуцированных токов в направлении вдоль слоя.

Таким образом, каждый из двух полупроводящих слоев, по существу, образует одну эквипотенциальную поверхность и эти слои, по существу, удерживают электрическое поле между ними.

Естественно, что один или более дополнительных полупроводящих слоев могут быть размещены в изолирующем слое.

Благодаря оснащению электрической машины бесщеточной системой возбуждения, способной переключаться между положительным и отрицательным возбуждением, формируется не требующая обслуживания система, имеющая короткое время отклика и малую продолжительность переходных процессов при возмущениях в электрической сети, так как система возбуждения способна генерировать как положительное, так и отрицательное напряжение возбуждения и, следовательно, положительный и отрицательный ток возбуждения.

Согласно предпочтительному варианту осуществления машины в соответствии с изобретением, система возбуждения содержит два управляемых преобразователя тока, включенных встречно-параллельно, для питания обмотки возбуждения машины переменного тока, двустороннее средство защиты от повышения напряжения возбуждения или цепь разряда, которое подключается параллельно обмотке возбуждения, а также управляющее оборудование для управления преобразователями тока и средством защиты от повышения напряжения или цепью разряда. Эта простая конструкция не требует использования гальванически развязанных источников питания и ограничивающих ток реактансов, а также отдельных закорачивающих устройств для гашения проводящих тиристоров. Система возбуждения также хорошо подходит для синхронных машин, таких как синхронные компенсаторы. Настоящее изобретение, таким образом, использует возможности полупроводниковых устройств простым способом временно изменять полярность, что облегчает быструю коммутацию тока возбуждения от моста статического преобразователя тока к короткозамыкающей цепи и обратно, когда требуется изменение направления тока в цепи возбуждения машины.

Краткое описание чертежей

Выбранные в качестве примера варианты выполнения машины в соответствии с изобретением будут описаны более подробно со ссылкой на сопровождающие чертежи, где фиг. 1 показывает изолированный кабель, используемый в машине согласно изобретению;

фиг. 2 показывает схему системы возбуждения в машине в соответствии с изобретением;

фиг.За-ί показывают изменение напряжения и тока при переключении моста в системе возбуждения, показанной на фиг.2.

Описание предпочтительного варианта осуществления изобретения

Фиг. 1 показывает поперечное сечение изолированного проводника 11, предназначенного для использования в обмотках машины в соответствии с настоящим изобретением.

Изолированный проводник 11 содержит несколько жил 35, имеющих круглое поперечное сечение и изготовленных, например, из меди. Эти жилы 35 расположены в середине изолированного проводника 11. Первый полупроводящий слой 13 расположен вокруг жил 35. Изолирующий слой 37, например, из полиэтилена с межмолекулярными связями, расположен вокруг первого полупроводящего слоя 13. Второй полупроводящий слой 15 расположен вокруг изолирующего слоя 37. Изолированный проводник является гибким и сохраняет это свойство на протяжении всего срока эксплуатации. Все три слоя выполнены так, что они скреплены друг с другом даже тогда, когда изолированный проводник изогнут. Изолированный проводник имеет диаметр в пределах 20-250 мм и площадь сечения проводящей части в пределах 80-3000 мм².

Фиг. 2 показывает схему системы возбуждения машины согласно изобретению. Обмотка 4 возбуждения машины, которая может быть неподвижной или вращающейся, присоединена к двум включенным встречно-параллельно выпрямительным мостам 1, 2 преобразователей тока. К обмотке 4 возбуждения также подключено двустороннее средство для защиты от повышения напряжения, содержащее два включенных встречно-параллельно тиристора 8, 10 с соответствующими цепями 12, 14 поджига.

Мосты 1, 2 преобразователей тока питаются от источника 16 и управляются коммутирующей логической схемой 18 через усилители 20, 22 управляющих импульсов. Управляющие импульсы для мостов 1, 2 преобразователей тока в виде тиристорных мостов поступают на усилители 20, 22 импульсов от генератора 28 управляющих импульсов. Чтобы измерять токи Ιρβι и 1_РВ2, подаваемые от мостов 1, 2 преобразователей тока, и передавать результаты измерений коммутирующей логической схеме 18 для целей управления, предусмотрены измерительные устройства 24, 26, соответственно. Подключение тиристоров 8, 10 средства защиты от повышения напряжения также происходит под управлением коммутирующей логической схемы 18 посредством цепей 12, 14 поджига. Средство защиты от повышения напряжения соединено с ограничивающим ток резистором В. В системе с автоматами гашения поля этот резистор В служит разрядным резистором.

Процедура переключения от моста 1 к мосту 2 состоит в следующем. Допустим, что первоначально мост 1 является проводящим, что означает, что направление тока 1_Р через обмотку 4 возбуждения является положительным (см. фиг.3а и ЗЬ). При подаче отрицательного управляющего сигнала ϋ_8ί (см. фиг.2), подаваемого на генератор 28 управляющих импульсов и коммутирующую логическую схему 18, произойдет уменьшение напряжения смещения и изменение полярности моста 1 (см. фиг.3а). Временной интервал изменения напряжения смещения, 1₂-ΐι на фиг.3Ь, от максимума положительного пика напряжения до максимума отрицательного пика напряжения составляет приблизительно 8,3 мс при частоте 50 Гц для 6полупериодного двунаправленного моста.

В момент времени 1₃, когда ток 1_РВ1 еще больше нуля, на разрядный тиристор 10 подается поджигающий импульс, а на мост 1 - блокирующий сигнал. В результате отсутствия нагрузки при отрицательном напряжении смещения получается моментальная передача тока возбуждения 1_РВ1 к схеме защиты от повышения напряжения и мост 1 обесточивается. Сигнал от измерительного устройства 24, сообщающий о том, что мост 1 обесточен, вызывает разблоки рование моста 2 и блокирование поджигающей цепи 14 тиристора 10. Временной интервал 1₄-1₃, см. фиг. 3, то есть период от блокировки моста 1 до подключения моста 2, составляет приблизительно 5 мс (см. фиг.3). Из графика на фиг. 36 видно, что ток 1_Р в обмотке 4 возбуждения в течение времени переключения поддерживается в результате наличия индуктивности у обмотки 4 возбуждения. Как видно из фиг. 36 и 3е, получивший смещение мост 2 создает ток 1_Я (см. фиг. 31) через тиристор 10 и ограничивающий ток резистор Я, а также ток 1_Р через обмотку 4 возбуждения синхронной машины. В момент времени 1₅ ток возбуждения изменяет полярность и разрядный тиристор 10 гасится вследствие временного уменьшения смещения моста 2, то есть временного изменения полярности, вызывающего протекание тока в обратном направлении в короткозамыкающей цепи или средстве защиты от повышения напряжения.

Подходящий выбор уровней токов для формирования блокирующих и измерительных сигналов обеспечивает малую длительность временного интервала, во время которого подключается двустороннее средство 8, 10, 12, 14 защиты от повышения напряжения возбуждения, служащее вспомогательной цепью или двусторонней тиристорной цепью разряда.

Переключение от отрицательного направления тока к положительному направлению тока при подаче положительного управляющего сигнала происходит аналогичным образом путем временного подключения тиристора 8 средства защиты от повышения напряжения.

Вариант выполнения вращающейся электрической машины в соответствии с изобретением описан выше в качестве примера. В рамках изобретения возможны несколько модификаций. Описанный выше принцип может быть использован при применении как неподвижных, так и вращающихся тиристорных мостов для возбуждения синхронных машин или для питания двигателей приводных систем. Для сброса приведенных в действие средств защиты от повышения напряжения в исходное состояние может также быть использовано временное или импульсное уменьшение смещения. Тогда на первой фазе сигнал повышенного напряжения дает сигнал оповещения и приведения средства защиты в исходное состояние. Длительный сигнал ошибки после ряда попыток сброса в исходное состояние вызовет формирование отключающего сигнала.

Использование способных к гашению полупроводниковых элементов также может уменьшить временной интервал переключения между положительным и отрицательным возбуждением или наоборот. Введение способных к гашению полупроводниковых элементов в двустороннее средство защиты от повышения напряжения делает необязательным временное изменение полярности напряжения возбуждения для гашения приведенного в действие и проводящего ток полупроводникового элемента.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Вращающаяся электрическая машина переменного тока, предназначенная для непосредственного подключения к распределительной или магистральной сети, содержащая систему бесщеточного возбуждения и, по меньшей мере, одну электрическую обмотку, отличающаяся тем, что обмотка выполнена из кабеля, имеющего, по меньшей мере, одну токопроводящую жилу, изоляция которого содержит внутренний слой, обладающий полупроводниковыми свойствами, промежуточный твердый изоляционный слой и внешний слой, обладающий полупроводниковыми свойствами, при этом система бесщеточного возбуждения выполнена с возможностью переключения между положительным и отрицательным возбуждением.
2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что внешний слой изоляции выполнен с возможностью соединения с источником заранее заданного потенциала.
3. Машина по п.2, отличающаяся тем, что внешний слой изоляции выполнен с возможностью заземления.
4. Машина по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, два соседних слоя обмотки машины имеют по существу одинаковые коэффициенты теплового расширения.
5. Машина по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, часть токопроводящих жил находится в электрическом контакте друг с другом.
6. Машина по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что каждый из трех слоев изоляции соединен с соседними слоями, по существу, по всей поверхности его соприкосновения с ними.
7. Машина по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что слои изоляции выполнены таким образом, что они скреплены друг с другом даже тогда, когда кабель изогнут.
8. Вращающаяся электрическая машина переменного тока, предназначенная для непосредственного подключения к распределительной или магистральной сети, содержащая систему бесщеточного возбуждения, по меньшей мере, один магнитный сердечник и, по меньшей мере, одну электрическую обмотку, отличающаяся тем, что обмотка выполнена из кабеля, имеющего, по меньшей мере, одну токопроводящую жилу, изоляция которого содержит внутренний слой, обладающий полупроводниковыми свойствами, промежуточный твердый изолляционный слой и внешний слой, обладающий полупроводниковыми свойствами, при этом система бесщеточного возбуждения вы9 полнена с возможностью переключения между положительным и отрицательным возбуждением.
9. Машина по п.8, отличающаяся тем, что кабель содержит металлический экран или оболочку.
10. Машина по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что система возбуждения содержит два включенных встречнопараллельно управляемых преобразователя тока для питания обмотки (4) возбуждения машины переменного тока, а также подключенное параллельно обмотке возбуждения двустороннее средство (8, 10, 12, 14) защиты от повышения напряжения возбуждения или цепь разряда и управляющее оборудование для управления преобразователями тока и указанным средством защиты или цепью разряда.
11. Машина по п.10, отличающаяся тем, что для переключения направления тока возбуждения, подаваемого от системы возбуждения, управляющее оборудование выполнено с возможностью изменения полярности преобразователей тока, при этом при переходе от одного направления тока к другому управляющее оборудование обеспечивает временное подключение указанного средства защиты.
12. Машина по п.10 или 11, отличающаяся тем, что средство защиты от повышения напряжения или цепь разряда содержит двустороннюю тиристорную цепь (8, 10) разряда.
13. Машина по любому из пп.10-12, отличающаяся тем, что приведенное в действие средство защиты от повышения напряжения или цепь разряда выполнены с возможностью приведения в исходное состояние посредством управления проводимостью преобразователей (1, 2) с обеспечением временного или импульсного изменения полярности.
14. Машина по любому из пп.10-12, отличающаяся тем, что приведенное в действие средство защиты от повышения напряжения или цепь разряда выполнены с возможностью приведения в исходное состояние посредством способных к гашению полупроводниковых элементов.
15. Электростанция, отличающаяся тем, что она содержит вращающуюся электрическую машину по любому из пп.1-14.
16. Способ возбуждения вращающейся электрической машины по любому из пп.1-14 как с положительным, так и с отрицательным направлением тока возбуждения, отличающийся тем, что при переключении направления тока возбуждения параллельно обмотке (4) возбуждения машины временно подключают двустороннее средство (8, 10, 12, 14) защиты от повышения напряжения возбуждения или двустороннюю цепь разряда.