PL182736B1 - Zespół elektrycznych maszyn wirujących i sposób wytwarzania zespołu elektrycznych maszyn wirujących - Google Patents

Abstract

Int. C l. 7 H02J 3/36 H02K 3/12 H02K 15/04 ( 5 4 ) Zespól elektrycznych maszyn wirujacych i sposób wytwarzania zespolu elektrycznych maszyn wirujacych (30) Pierw szenstw o: (73) U praw niony z p aten tu : 29.05.1996,SE,9602079-7 ABB AB, Vasteras, SE 27.05.1997,SE,9700335-4 (72) T w órcy w ynalazku: Mats Leijon, Vasteras, SE ( 4 3 ) Zgloszenie ogloszono: Lars Gertm ar, V asteras, SE 10.05.1999 BUP 10/99 (74) P elnom ocnik: (45) O udzieleniu p aten tu ogloszono: Dreszer-Lichanska Hanna, DERESZ & 28.02.2002 WUP 02/02 DRESZER, Kancelaria Adwokacko-Patentowa 1. Zespól elektrycznych maszyn wirujacych o za- kresie mocy od 1 M W do 15 GW zawierajacy m a- szyne w irujaca z co najmniej jednym uzwojeniem oraz przetwornik, znam ienny tym , ze maszyna jest m aszyna wysokonapieciow a i zaw iera obwód ma- gnetyczny majacy co najmniej jeden rdzen magne- tyczny i uzwojenia przesuniete fazowo wzgledem siebie w przestrzeni, przy czym kazde uzwojenie zawiera co najmniej jeden przewód ( 2) przewodzacy prad, i wokól kazdego z tych przewodów ( 2) umieszczona jest wewnetrzna warstwa pólprzewo- dzaca (3) w postaci plaszcza o wlasciwosciach pól- przewodzacych, i dookola tej wewnetrznej warstwy pólprzewodzacej (3) um ieszczona jest warstwa izo- lacyjna ze stalej izolacji (4), i ze dookola tej warstwy izolacyjnej um ieszczona jest zewnetrzna warstwa pólprzew odzaca (5) w postaci plaszcza o wlasciwo- sciach pólprzewodzacych, przy czym zarówno przetwarzanie mocy mechanicznej (momentu me- chanicznego i predkosci obrotow ej) maszyny w prad staly wysokiego napiecia i napiecie stale, jak i prze- ksztalcanie stalego napiecia i pradu na moc m echa- niczna dokonywane sa bezposrednio przez prze- twornik, tj. bez udzialu transform atorów posredni- czacych i/albo dlawików. Fig. 1 PL PL PL PL PL PL PL PL PL

Description

Wynalazek dotyczy zespołu elektrycznych maszyn wirujących do beztransformatorowego generowania HVDC (prądu stałego wysokiego napięcia), przy czym układ ten składa się z maszyny wirującej wysokiego napięcia z pojedynczym/wielokrotnym uzwojeniem i przetwornika. Wynalazek obejmuje także urządzenia, dzięki którym maszyna elektryczna wysokiego napięcia może pracować z różną prędkością. W praktyce oznacza to, że układy te przekształcają moment mechaniczny w prąd stały i napięcie stałe bez pośrednich transformatorów oraz, że układy te przekształcają prąd stały i napięcie stałe w moment mechaniczny bez pośrednich transformatorów.

Wynalazek obejmuje także sposób wytwarzania zespołu elektrycznych maszyn wirujących, a w szczególności obwodów magnetycznych dla maszyn wirujących wysokiego napięcia z pojedynczym/wielokrotnym uzwojeniem.

Urządzenia według wynalazku stanowią część zespołu do beztransformatorowego generowania prądu stałego wysokiego napięcia i do prądu maszyn elektrycznych wysokiego napięcia. Układy, w których wynalazek jest stosowany, dotyczą zakresu mocy od 1 MW do 15 GW i składają się z jednej lub kilku maszyn wirujących.

Istnieje bardzo wiele różnych podzespołów półprzewodnikowych, które mogą być zastosowane w przedmiotowym. Stan techniki w tym zakresie podaje np. publikacja „Modem Power Electronics” autorów Bose i in., ISBN: 0-87942-282-3, wydana przez Stowarzyszenie Elektroniki Przemysłowej IEEE. Wymieniono w niej, między innymi, następujące podzespoły:

182 736

- tyrystory, diody, triaki, tyrystory wyłączalne (GTO), tranzystory bipolarne (BJT), tranzystory PWM, tranzystory dwubramkowe MOSFET, izolowane bipolarne tranzystory dwubramkowe (IGBT), tranzystory statyczne (SIT), tyrystory statyczne (SITH), tyrystory sterowane MOS (MCT) itd. ....

Połączenia podzespołów półprzewodnikowych dla uzyskania efektów inwersji lub prostowania określane są popularnie w języku angielskim mianem „converters” (przetworniki). Ponieważ ta część wynalazku, która dotyczy konwersji energii HVDC, obejmuje zarówno działanie falownika jak i prostownika, połączenia podzespołów półprzewodnikowych będą określane jako przetworniki.

Dla tej części wynalazku, która dotyczy napędu maszyny elektrycznej wysokiego napięcia ze zmienną prędkością, stosowana będzie konwersja energii prąd zmienny/prąd zmienny AC/AC. Taki napęd maszyny elektrycznej opisany będzie poniżej zarówno w odniesieniu do stanu techniki, jak i w odniesieniu do zastosowania zgodnie z wynalazkiem.

Konwencjonalna stacja przesyłowa HVDC składa się zwykle z dwóch stopni transformowania, filtrów prądu zmiennego, wyłączników prądu zmiennego i systemu szyn zbiorczych prądu zmiennego. Z uwagi na to, że transformatory są zwykle przeznaczone do przesyłania wysokich mocy, są one z reguły chłodzone i izolowane olejem. W wyniku szeregowego podłączenia przetworników, na uzwojenia i wyprowadzenia uzwojeń transformatorów przetwornikowych działać będzie wzrastający potencjał prądu stałego, w stosunku do ziemi. Stawia to bardzo trudne wymagania izolacji i wyprowadzeniom uzwojeń transformatorów. Przedstawił to, między innymi, E. Uhlman w „Power Transmission by Direct Current”, Springer Verlag 1975, str. 327-328 w ELECTRA nr 141, kwiecień 1992, str. 34-39 i w ELECTRA nr 155, sierpień 1994, str. 6-30.

Metoda przesyłania HVDC, zgodnie z powyżej podanym opisem przedstawiona została, między innymi, w artykule zatytułowanym „Transmisja Skagerack - najdłuższe na świecie podwodne łącze kablowe HVDC” zamieszczonym w Asea Journal 1980, tom 53, n-ry 1-2, str. 3-12 oraz w artykule „Bezpośrednie przyłączanie generatorów do przetworników HVDC” w ELECTRA nr 149, sierpień 1993.

W celu odróżnienia niniejszego wynalazku od poprzedniego stanu techniki „przetwornik HVDC”, o którym mowa w wyżej wymienionym artykule w ELECTRA nr 149 przeznaczony dla bezpośredniego połączenia z generatorami składa się z dwóch transformatorów przetwornikowych połączonych Y/Y i odpowiednio Y/D oraz przetworników.

Jeden z przykładów maszyny z wielokrotnym uzwojeniem zgodnie ze stanem techniki opisany jest w US 4,132914 pod tytułem „Sześciofazowe uzwojenie stojana maszyny elektrycznej”. Uzwojenia według tego patentu maja tu specjalny kształt w celu uzyskania możliwie najniższych napięć pomiędzy połączeniami zewnętrznymi. Sześciofazowe uzwojenie w tej i w podobnych maszynach są ukształtowane jako dwa trójfazowe uzwojenia, które są zwykle przesunięte elektrycznie w przestrzeni o 30 stopni względem siebie. Daje to możliwość uzyskania jednego pojedynczego trójfazowego napięcia za pomocą transformatora o połączeniu Y i połączeniu D.

Wyżej wymieniona maszyna i podobne maszyny, zgodnie ze stanem techniki, skonstruowane są dla napięć do 25 kV. Maszyny z dwoma trójfazowymi uzwojeniami z przesunięciem fazowym 30 stopni mogą być wykorzystywane zgodnie z powyższym opisem dla 12-impulsowego prostowania przy pomocy przetworników bez transformatorów pośredniczących. Jednakże, przy najwyższym napięciu w istniejących maszynach, wyprostowane napięcie może osiągnąć najwyżej 30 kV, symetrycznie rozdzielone o około +/- 15 kV wokół potencjału ziemi.

Połączenie szeregowe przetworników zasilanych z kilku generatorów, dla uzyskania tego, co powszechnie określamy terminem HVDC, to jest napięcia sieciowego 100 kV i więcej, nie jest możliwe z generatorami odpowiadającymi obecnym rozwiązaniom technicznym z izolacją bazującą na mice, ponieważ nie są one wytrzymałe na składową stałą napięcia, na oddziaływanie której narażone będą uzwojenia generatora w powszechnie stosowanych połączeniach przetworników.

182 736

Napędy maszyn elektrycznych o zmiennej prędkości, zgodnie ze stanem techniki zakładają z różnych praktycznych powodów, że maszyna wyposażona jest w dwa trójfazowe uzwojenia przesunięte fazowo o 30 stopni względem siebie. W celu sterowania prędkością maszyny muszą być zasilane ze zmienną częstotliwościową. Poziom napięcia zasilania, zgodnie ze stanem techniki, jest rzędu 5 kV.

Napędy silnikowe wyżej wymienionego rodzaju przedstawiono w licznych broszurach i artykułach, takich jak „High-speed synchronous motors. Adjustable speed drives”, broszura Asea OG 135-101E, „Freąsyn - a new drive system for high-power applications”, Asea Journal 59 (1986): 4, str. 16-19.

Zasilanie takich napędów silnikowych może odbywać się na różne sposoby, dla przykładu jako czysta przemiana mocy typu AC/AC lub z sieci stałego napięcia poprzez sterowane przetworniki. Konstrukcja takiego układu opisana jest między innymi w artykule zatytułowanym „Synchronous machines with single or double 3-phase starconnected winding fed by 12-pulse load commutated inverter”, opublikowanym w ICEM 94, Międzynarodowa Konferencja na temat maszyn elektrycznych, część tom I, str. 267-272.

Jeśli chodzi o nieco mniejsze elektryczne maszyny wirujące, można wymienić maszyny reluktancyjne, które obecnie konstruowane są dla mocy do kilkuset kilowatów, w których zarówno stojan jak i wirnik wyposażone są w bieguny wydatne. Silniki takie opisane są m.in. w „Variable speed switched reluctance motors” w IEE Proc. B, Tom 127, listopad 1980, str. 253-256. Maszyny te są maszynami niskiego napięcia, a ich uzwojenie wokół biegunów wydatnych stojana jest wielowarstwowe. Maszyny reluktancyjne mogą być przystosowane do połączenia poprzez przetworniki do wysokiego napięcia prądu stałego.

Stan techniki w odniesieniu do maszyny wirującej wysokiego napięcia zostanie przedstawiony rozpoczynając od konwencjonalnej maszyny z pojedynczym uzwojeniem o napięciu około 25-30 kV, na przykładzie maszyny synchronicznej. Opis dotyczy głównie obwodu magnetycznego takiej maszyny oraz jego budowy zgodnie z klasycznymi rozwiązaniami technicznymi. Ponieważ obwód magnetyczny, o którym mowa, jest w większości przypadków umieszczony w stojanie, obwód magnetyczny będzie opisany zwykle jako stojan z wielowarstwowym rdzeniem, którego uzwojenie będzie dalej zwane uzwojeniem stojana, a żłobki w wielowarstwowym rdzeniu przeznaczone dla uzwojenia zwane będą żłobkami stojana lub po prostu żłobkami.

Większość maszyn synchronicznych ma uzwojenie magnesujące w wirniku, w którym główny strumień magnetyczny wytwarzany jest przez prąd stały oraz uzwojenie prądu zmiennego w stojanie. Maszyny synchroniczne mają zwykle konstrukcję trójfazową.

Czasami maszyny synchroniczne konstruowane są z biegunami wydatnymi. Te ostatnie mają uzwojenie prądu zmiennego w wirniku. Czasami maszyny te mają wielofazowe uzwojenia zarówno w stojanie jak i w wirniku i konstruowane są jako tzw. maszyny synchroniczne strumieniowe, które mogą pracować z prędkościami innymi niż synchroniczne.

Korpus stojana dużych maszyn synchronicznych wykonywany jest często jako konstrukcja spawana z blachy stalowej. Wielowarstwowy rdzeń jest zwykle wykonany z lakierowanej blachy elektrotechnicznej o grubości 0,35-0,5 mm. Przy większych maszynach blacha jest punktowana w formie segmentów, które są przymocowane do korpusu stojana za pomocą połączeń klinowych. Wielowarstwowy rdzeń mocowany jest łapkami i płytami dociskowymi.

Stosuje się trzy różne systemy chłodzenia uzwojeń maszyn synchronicznych.

W przypadku chłodzenia powietrzem uzwojenie stojana oraz uzwojenie wirnika chłodzone są przepływającym powietrzem. Kanały powietrza chłodzącego znajdują się w pakietach stojana i w wirniku. Dla wentylacji i chłodzenia za pomocą powietrza wielowarstwowy rdzeń dla co najmniej średniej wielkości i dużych maszyn podzielony jest na segmenty z promieniowymi i osiowymi przewodami wentylacyjnymi przechodzącymi przez rdzeń. Powietrzem chłodzącym może być powietrze pobierane z otoczenia, lecz przy mocach powyżej 1 MW stosuje się przeważnie zamknięte systemy chłodzenia z wymiennikami ciepła. Powietrze jest środkiem używanym głównie dla chłodzenia hydrogeneratorów.

Turbogeneratory do 400 MW oraz duże kondensatory synchroniczne chłodzone są wodorem. Metoda chłodzenia jest podobna jak przy chłodzeniu powietrzem z wymiennikami

182 736 ciepła, lecz zamiast powietrza czynnikiem chłodzącym jest wodór. Wodór ma lepsze własności chłodzące niż powietrze lecz występują tu trudności z uszczelnieniem i wykrywaniem nieszczelności. W turbogeneratorach dla mocy 500-1000 MW stosuje się chłodzenie uzwojeń stojana i uzwojeń wirnika wodą. Kanały chłodzące mają kształt rur umieszczonych wewnątrz przewodników w uzwojeniu stojana.

Uzwojenie stojana umieszczone jest w żłobkach w wielowarstwowym rdzeniu. Żłobki te zwykle sąw przekroju prostokątne lub trapezowe. Każda faza uzwojenia składa się z wielu szeregowo połączonych grup zezwojów i każda grupa zezwojów składa się z pewnej liczby szeregowo połączonych zwojów. Części zezwojów umieszczone w stojanie określane są jako bok zwoju a części znajdujące się na zewnątrz stojana nazywane są czołem zezwoju. Zezwój składa się z jednego lub większej ilości przewodników skupionych na wysokości i/lub szerokości. Pomiędzy przewodami jest cienka warstwa izolacji, na przykład włókna żywicy epoksydowej/szkła. Zwój izolowany jest od żłobka przy pomocy izolacji zwoju, tzn. izolacji, która musi zabezpieczyć przed przebiciem nominalnego napięcia maszyny do ziemi. Mogą być do tego celu użyte różne materiały izolacyjne, z materiałów takich jak tworzywa sztuczne i materiały lakierowane i z włókien szklanych. Zwykle stosowana jest tak zwana taśma z miki będąca mieszanką miki i twardego plastiku wyprodukowana specjalnie, aby zabezpieczyć przed częściowymi wyładowaniami, które mogą gwałtownie zniszczyć izolację. Izolacja nakładana jest na zezwój poprzez nawinięcie kilku warstw taśmy z miki wokół zwoju. Izolacja jest impregnowana a następnie bok zwoju malowany jest farbą na bazie grafitu aby poprawić styk z otaczającym stojanem, który jest połączony z potencjałem ziemi.

Powierzchnia przekroju przewodów uzwojeń zależy od natężenia prądu i zastosowanej metody chłodzenia. Przewód i zezwój mają zwykle przekrój prostokątny aby zmaksymalizować ilość materiału przewodnika w żłobku. Typowy zezwój wykonany jest z tak zwanych prętów Roebela, w której pewna ilość prętów może być wydrążona dla przepływu czynnika chłodzącego. Pręt Roebela składa się z dużej ilości prostokątnych równolegle połączonych przewodników miedzianych, z transpozycją (skręceniem) 360 stopni wzdłuż żłobka. Występują także pręty Ringlanda z transpozycją 540 stopni i inną. Transpozycja ma na celu uniknięcie występowania prądów wirowych, wytwarzanych w przekrojach materiału przewodzącego poddanego działaniu pola magnetycznego.

Wielofazowe uzwojenie prądu przemiennego jest zwykle zbudowane jako uzwojenie jednowarstwowe lub dwuwarstwowe. W przypadku uzwojeń jednowarstwowych na żłobek przypada tylko jeden bok zezwoju, a w przypadku uzwojeń dwuwarstwowych w żłobku znajdują się dwa zezwoje. Uzwojenia dwuwarstwowe są zwykle projektowane jako uzwojenia jednakozezwojowe, natomiast uzwojenia jednowarstwowe, odpowiednie dla tych połączeń, mogą być projektowane lub jako uzwojenia jednakozezwojowe lub jako uzwojenia współosiowe. W przypadku uzwojeń jednakozezwojowych występuje tylko pojedynczy poskok zezwoju (lub czasami poskok podwójny), natomiast uzwojenia płaskie są projektowane jako uzwojenia współosiowe, to znaczy ze zmiennym poskokiem w szerokim zakresie. Pod pojęciem poskoku zezwoju rozumie się odległość kątową mierzoną pomiędzy dwoma bokami zezwoju należącymi do tej samej cewki, odniesioną albo do odpowiedniej podziałki biegunowej lub wyrażoną w ilości pośrednich żłobków.

Zwykle stosowane są różnorodne warianty w ustaleniu poskoku zezwojów, na przykład skracanie poskoku, po tym ażeby uzyskać wymagane własności uzwojenia. Przedstawiony powyżej typ uzwojenia określa w zasadzie jednoznacznie w jaki sposób zezwoje znajdujące się w żłobkach, czyli boki zezwojów, połączone są ze sobą na zewnątrz stojana, to znaczy na końcach uzwojeń.

Części zezwojów położone na zewnątrz stojana zbudowanego w postaci złożonych arkuszy blachy nie są pokryte warstwą farby półprzewodzącej potencjał ziemi. Końce uzwojeń zaopatrzone są w materiał służący do opanowania pola elektrycznego w postaci tak zwanego lakieru zabezpieczającego przed ulotem i powodującego zamianę pola elektrycznego osiowego na pole promieniowe, co oznacza, że izolacja na czołach uzwojeń wykazuje wysoki potencjał w stosunku do ziemi. Powoduje to czasami wzrost tego potencjału aż do wystąpienia ulotu w rejonie końcowym zezwojów, który to wzrost może być niszczący dla izolacji. Te

182 736 miejsca na czołach zezwojów, tak zwane punkty regulacji pola elektrycznego, są przyczyną problemów w pracy elektrycznych maszyn wirujących.

Normalnie wszystkie duże maszyny są projektowane z uzwojeniem dwuwarstwowym i z jednakowej wielkości zezwojami. Każdy zezwój umieszczony jest jednym bokiem w jednej z dwu warstw a drugi bok zezwoju umieszczony jest w drugiej warstwie. Oznacza to że wszystkie zezwoje przecinają się na czołach uzwojenia. Jeżeli zastosowane są więcej niż dwie warstwy, to przecięcia te utrudniają pracę uzwojenia i uszkadzają czoła uzwojeń.

Szczególnie interesujące próby podejścia do projektowania maszyn synchronicznych opisane są w artykule zatytułowanym „Turbogenerator chłodzony wodą i olejem TVM-300” w J. Elektrotechnika, numer 1, 1970, strona 6-8, w patencie amerykańskim US-4,429,244 „Stojan generatora”, oraz w patencie rosyjskim: dokument CCCP Patent 955369.

Maszyna synchroniczna chłodzona wodą i olejem opisana w J. Elektrotechnika przeznaczona jest do napięć do 20 kV. Artykuł opisuje nowy system izolacji składający się z izolacji olejowo/papierowej, który umożliwia kompletne zanurzenie stojana w oleju. Olej może być wówczas wykorzystany jako czynnik chłodzący, pełniąc jednocześnie funkcję izolacyjną. Aby zapobiec wydostawaniu się oleju od stojana do wirnika, przewidziano dielektryczny pierścień oddzielający olej na wewnętrznej powierzchni rdzenia. Uzwojenie stojana wykonane jest z przewodów z wydrążonej owalnej kształtki wyposażonej w izolację olejową i papierową. Boki zezwojów wraz z ich izolacją ustalone są przy pomocy klinów w stosunku do żłobków posiadających przekrój prostokątny. Jako czynnik chłodzący użyty jest olej zarówno w wydrążeniach przewodów jak i w ścianach stojana. Taki system chłodzący zawiera niestety dużą ilość połączeń na liniach olejowych i elektrycznych znajdujących się na końcach zezwojów. Gruba izolacja powoduje powiększenie promienia gięcia przewodów, co z kolei powoduje zwiększenie wymiarów wystających ze stojana części uzwojenia.

Wspomniany powyżej amerykański patent odnosi się do tej części stojana maszyny synchronicznej, która zawiera rdzeń magnetyczny zbudowany z pakietowanych arkuszy i która się posiada trapezowe żłobki przeznaczone dla uzwojenia stojana. Żłobki zwężają się ponieważ zapotrzebowanie na izolację uzwojenia stojana zmniejsza się w kierunku tej części uzwojenia, która jest położona elektrycznie bliżej punktu zerowego uzwojenia. Dodatkowo ta część stojana zawiera cylinder dielektryczny oddzielający olej położony najbliżej wewnętrznej powierzchni rdzenia. Uzwojenie stojana jest wykonane jest z kabli zanurzanych w oleju posiadających tę samą średnicę dla każdej warstwy zezwoju.

Warstwy oddzielone są od siebie w żłobkach przy pomocy elementów odległościowych i zabezpieczone przez kliny. Cechą szczególną tego rozwiązania jest to, że zawiera ono dwa tak zwane uzwojenia połówkowe połączone szeregowo. Pojedyncze uzwojenie połówkowe położone jest centrycznie wewnątrz tulei izolacyjnej. Przewody uzwojenia stojana chłodzone są przez otaczający je olej. Cechą niekorzystną zastosowania tak dużej ilości oleju w układzie jest ryzyko nieszczelności i duży nakład pracy przy czyszczeniu w przypadku wystąpienia awarii. Części tulejek izolacyjnych położone poza żłobkami wyposażone są w element cylindryczny o zakończeniu stożkowym wzmocnionym przy pomocy przewodzących prąd warstw, celem którego jest przeciwstawienie się naprężeniom pochodzącym od pola elektrycznego w regionie, w którym kable przechodzą w czoło uzwojenia.

W patencie CCCP 955369 ujawniono, przy innym podejściu do podwyższenia napięcia znamionowego maszyny synchronicznej, uzwojenie stojana chłodzonego olejem posiadające konwencjonalny wysokonapięciowy kabel o takim samym wymiarze dla wszystkich żłobków. Kabel ten jest położony w żłobkach wirnika ukształtowanych jako okrągłe i położone promieniowo otwory, odpowiadające przekrojowi poprzecznemu kabla, z uwzględnieniem przestrzeni potrzebnej do zamocowania kabla i przestrzeni potrzebnej dla czynnika chłodzącego. Warstwy uzwojenia rozmieszczone na różnych promieniach otoczone są przez rurki izolacyjne i przymocowane do nich. Izolacyjne wkładki dystansowe mocują te rurki w żłobkach stojana. Z powodu zastosowania chłodzenia olejowego potrzebny jest również wewnętrzny pierścień dielektryczny przeznaczony do uszczelnienia olejowego czynnika chłodzącego względem wewnętrznej szczeliny powietrznej. Niekorzystne cechy występujące w opisanym poprzednio układzie odnoszą się także do tego rozwiązania. Rozwiązanie to wykazuje także bardzo małe

182 736 promieniowe przewężenia pomiędzy żłobkami stojana, co powoduje występowanie dużych ubytków w strumieniu magnetycznym, które z kolei wpływają znacznie na wymagania magnetyzacyjne tych maszyn.

Sprawozdanie Electric Power Research Institute, EPRI, EL-8891, z roku 1984 przedstawia różne koncepcje rozwiązań dla uzyskania wyższego napięcia w wirujących maszynach elektrycznych w celu uzyskania możliwości podłączenia takich maszyn bezpośrednio do sieci elektroenergetycznej bez użycia transformatora pośredniczącego. Dzięki połączeniu najbardziej obiecującej, według tego sprawozdania koncepcji obwodu magnetycznego z uzwojeniem, tak zwanego cylindrycznego monolitycznego twomika, z koncepcją według której uzwojenie zawiera dwa cylindryczne zespoły przewodów położonych koncentrycznie w trzech cylindrycznych obudowach izolacyjnych, i gdzie ta cała konstrukcja przymocowana jest do stalowego rdzenia bez zazębień, uznano, że elektryczna maszyna wirująca na wysokie napięcie może być podłączona bezpośrednio do sieci elektroenergetycznej. Rozwiązanie to oznacza, że izolacja główna musiała być wystarczająco gruba aby przeciwstawić się napięciom międzyfazowym i napięciom w stosunku do ziemi. Rodzaj izolacji, który - po przeanalizowaniu wszystkich dostępnych w tym czasie metod wytwarzania — został uznany za niezbędny do osiągnięcia podwyższonego napięcia był taki, jaki jest normalnie stosowany w transformatorach mocy, który zawiera celulozowy preszpan impregnowany przy pomocy cieczy dielektrycznej. Do oczywistych braków zaproponowanego rozwiązania należy to, że - obok nadprzewodzącego wirnika - wymaga ono bardzo grubej izolacji, która przekracza wymiary maszyny. Końce uzwojeń muszą być izolowane i chłodzone za pomocą oleju lub freonu, w celu ograniczenia dużych pól elektrycznych w tych końcach. Cała maszyna musi być hermetycznie zamknięta w celu zapobieżenia absorpcji wilgoci z atmosfery przez ciecz dielektryczną.

Przy wytwarzaniu maszyn elektrycznych według znanego stanu techniki, uzwojenia tych maszyn produkowane są z przewodów i izolacji w kilku etapach, przy czym uzwojenie musi być uformowane przed włożeniem go do obwodu magnetycznego. Impregnacja w celu utworzenia układu izolującego dokonywana jest po zamontowaniu uzwojenia w obwodzie magnetycznym.

Przedmiotem wynalazku jest zespół elektrycznych maszyn wirujących o zakresie mocy od 1 MW do 15 GW zawierający maszynę wirującą z uzwojeniem pojedynczym lub wielokrotnym oraz przetwornik, charakteryzujący się tym, że maszyna jest maszyną wysokonapięciową i zawiera obwód magnetyczny mający jeden lub więcej rdzeni magnetycznych i jedno lub więcej uzwojeń przesuniętych fazowo względem siebie w przestrzeni, i tym że uzwojenia zawierają jeden lub więcej przewodów przewodzących prąd, i wokół każdego z tych przewodów umieszczona jest wewnętrzna warstwa półprzewodząca w postaci płaszcza o właściwościach półprzewodzących, i dookoła tej pierwszej warstwy umieszczona jest warstwa izolacyjna ze stałej izolacji, i że dookoła tej warstwy izolacyjnej umieszczona jest zewnętrzna warstwa półprzewodząca w postaci płaszcza o właściwościach, przy czym zarówno przetwarzanie mocy mechanicznej (momentu mechanicznego i prędkości obrotowej) maszyny w prąd stały wysokiego napięcia i napięcie stałe, jak i przekształcanie stałego napięcia i prądu na moc mechaniczną dokonywane są bezpośrednio przez przetwornik, tj. bez udziału transformatorów pośredniczących i/albo dławików.

Przetwornik zawiera urządzenia półprzewodnikowe, które po podłączeniu w układ pracująjako przetwornik AC/DC lub DC/AC.

Do przetwornika AC/DC podłączony może być falownik DC/AC podłączony bezpośrednio do sieci napięcia zmiennego AC, bez transformatorów pośredniczących i/lub dławików, do którego na stronie stałonapięciowej DC podłączony może być prostownik DC/AC o bezpośrednim podłączeniu do sieci zmiennonapięciowej AC, także bez transformatorów pośredniczących i/lub dławików.

Urządzenia półprzewodnikowe mogą składać się z tyrystorów, diod, triaków, tyrystorów wyłączalnych (GTO), tranzystorów bipolarnych (BJT), tranzystorów PWM, tranzystorów dwubramkowe MOSFET, tranzystorów bipolarnych z izolowaną bramką (UGBT), tranzystorów statycznych (SIT), tyrystorów statycznych (SITH), tyrystorów sterowanych MOS (MCT) i temu podobnych komponentów o własnościach półprzewodnikowych.

182 736

Przetworniki stanowią integralną część maszyny wirującej wysokonapięciowej o uzwojeniu pojedynczym lub wielokrotnym, przy czym maszyna wirująca i urządzenia półprzewodnikowe mają wspólny system chłodzenia i to samo uziemienie.

Wewnętrzna warstwa półprzewodzącą uzwojenia maszyny wirującej posiada w zasadzie ten sam potencjał elektryczny co i przewód.

Zewnętrzna warstwa półprzewodzącą uzwojenia maszyny wirującej jest skonstruowana w ten sposób, że tworzy ekwipotencjalną powierzchnię wokół przewodu lub przewodów i może być podłączona do potencjału ziemi.

W uzwojeniu maszyny wirującej wszystkie warstwy półprzewodzące i izolacyjne posiadają takie same własności cieplne, tak że przy termicznym rozszerzaniu i kurczeniu się uzwojenia nie występują w izolacji żadne uszkodzenia, pęknięcia i temu podobne. Cel ten został osiągnięty np. przez wytłaczanie warstw izolacyjnych z odpowiedniego materiału izolacji stałej jako termoplastyczne żywice, żywice usieciowane plastycznie, guma silikonowa lub epoksydowa.

Przewodzący prąd przewód lub przewody maszyny wirującej składają się z żył, z których pewna niewielka ilość nie jest izolowana względem siebie.

Uzwojenia maszyny wirującej zawierają kabel składający się z jednego lub więcej przewodzących prąd przewodów, każdy przewód składa się z żył, dookoła każdego z przewodów umieszczona jest wewnętrzna warstwa półprzewodzącą w postaci płaszcza, wokół której jest warstwa ze stałej izolacji, wokół której znajduje się zewnętrzna warstwa półprzewodzącą w postaci płaszcza.

Kabel posiadać może metalowy ekran i/albo osłonę.

Obwód magnetyczny znajduje się w stajanie i/lub wirniku elektrycznej maszyny wirującej.

Zewnętrzna warstwa półprzewodzącą rozcięta jest na kilka części, z których każda podłączona jest do potencjału ziemi.

Poprzez połączenie zewnętrznej warstwy półprzewodzącej z potencjałem ziemi, pole elektryczne maszyny na zewnątrz warstwy półprzewodzącej, zarówno w żłobkach jak i w rejonie czół zezwojów, będzie bliskie zeru.

W przypadku, gdy kabel zawiera kilka przewodów to są one skręcone na długości, przy czym przewód lub przewody przewodzące prąd zawierają zarówno izolowane jak i nieizolowane tyły skręcone na długości w kilku warstwach.

Żłobki uzwojenia maszyny wirującej ukształtowane mogąbyć w postaci cylindrycznych otworów leżących jeden nad drugim i powiększających się osiowo i promieniowo oraz posiadających w zasadzie przekroje kołowe oddzielone od siebie przez przewężoną część położoną pomiędzy tymi cylindrycznymi otworami, przy czym kołowy przekrój poprzeczny otworów cylindrycznych tworzących żłobki, posiada promień zmniejszający się w sposób ciągły lub nieciągły licząc od części tylnej laminowanego rdzenia. Kolisty kształt żłobków powoduje, że zezwoje o kolistym kształcie przekroju są otoczone przez stałe pole magnetyczne B bez wejść koncentracji pola, w których mogłoby nastąpić nasycenie pola.

Maszyna wirująca jest maszyną wysokonapięciową i zawiera obwód magnetyczny mający jeden lub więcej rdzeni magnetycznych i jedno lub więcej uzwojeń przesuniętych fazowo względem siebie w przestrzeni. Uzwojenia zawierają jeden lub więcej przewodów przewodzących prąd, a wokół każdego z tych przewodów umieszczona jest wewnętrzna warstwa półprzewodzącą w postaci płaszcza o właściwościach półprzewodzących, i dookoła tej wewnętrznej warstwy półprzewodzącej umieszczona jest warstwa izolacyjna ze stałej izolacji, i że wokół tej warstwy izolacyjnej umieszczona jest zewnętrzna warstwa półprzewodzącą w postaci płaszcza o właściwościach półprzewodzących. Rdzeń magnetyczny ukształtowany może być z biegunami wydatnymi, a maszyna może być maszyną ze szczeliną powietrzną o promieniowym lub osiowym strumieniu magnetycznym w szczelinie.

Sposób wytwarzania zespołu elektrycznych maszyn wirujących według wynalazku z maszyną wirującą wysokonapięciową o uzwojeniu pojedynczym lub wielokrotnym, zawierającą uzwojenie i obwód magnetyczny posiadający żłobki, kanały lub temu podobne, przy czym żłobki lub im podobne elementy posiadają przynajmniej jeden otwór dostępny od strony zewnętrznej rdzenia magnetycznego, charakteryzuje się tym, że uzwojenie zawiera jeden lub

182 736 więcej przewodów przewodzących prąd, wokół każdego z tych przewodów umieszczona jest wewnętrzna warstwa półprzewodząca w postaci płaszcza o właściwościach półprzewodzących, i wokół tej wewnętrznej warstwy półprzewodzącej umieszczona jest warstwa izolacyjna ze stałej izolacji, a dookoła tej warstwy izolacyjnej umieszczona jest zewnętrzna warstwa półprzewodząca w postaci płaszcza o właściwościach półprzewodzących, przy czym uzwojenie jest giętkie i może być wwlekane w otwór żłobka.

Uzwojenie może zawierać kabel zawierający jeden lub więcej przewodów przewodzących prąd, wokół każdego z tych przewodów umieszczona może być wewnętrzna warstwa półprzewodząca w postaci płaszcza o właściwościach półprzewodzących, dookoła tej wewnętrznej warstwy półprzewodzącej umieszczona warstwa izolacyjna ze stałej izolacji, i dookoła tej warstwy izolacyjnej umieszczona zewnętrzna warstwa półprzewodząca w postaci płaszcza o właściwościach półprzewodzących, przy czym wymieniony kabel jest wwlekany w otwory cylindryczne żłobków.

Kabel może być też nawinięty na wystające bieguny stojana lub/i wirnika maszyny wirującej.

Wirująca maszyna wysokiego napięcia z pojedynczym lub wielokrotnym uzwojeniem wchodząca w skład układu zgodnie z wynalazkiem może pracować jako silnik o zmiennej prędkości zasilany z wysokonapięciowej sieci prądu stałego poprzez półprzewodnikowe połączenia oraz jako generator dla generowania prądu zmiennego poprzez układy półprzewodnikowe i transformatory.

Jak wynika z powyższego, niniejszy wynalazek obejmuje maszyny wirujące wysokiego napięcia z pojedynczyrn/wielokrotnym uzwojeniem przeznaczone dla poziomów napięcia znacznie przekraczających te, które zastosowane są w przypadku maszyn wedle aktualnego stanu techniki. Stwarza on większe możliwości dla napędów maszyn elektrycznych o zmiennej prędkości obrotowej przy znacznie wyższych poziomach napięcia i daje korzyści w odniesieniu do mocy maszyn itd.

Przetworniki mogą zawierać również jedno lub więcej urządzeń półprzewodnikowych.

Zastosowanie tego wynalazku przynosi w rezultacie znaczne obniżenie kosztów inwestycyjnych i zmniejsza zapotrzebowanie na miejsce potrzebne do montażu w porównaniu do odpowiednich układów HVDC wedle aktualnego stanu techniki. Układ HVDC według wynalazku pozwala także na zwiększenie ogólnej sprawności całego układu. Również pod względem napędu maszyny elektrycznej wysokonapięciowej o zmiennej prędkości obrotowej rozwiązanie układu maszyna/przetwomik zaproponowane według wynalazku oznacza znaczne korzyści w stosunku do aktualnego stanu techniki.

Podsumowując, zastosowanie w zespole według wynalazku maszyny wirującej na wysokie napięcie o pojedynczym lub wielokrotnym uzwojeniu z przetwornikami zawierającymi urządzenie służące do regulacji prędkości wedle wynalazku daje duże korzyści w porównaniu do poprzednio produkowanych maszyn. Pod pojęciem wysokiego napięcia rozumie się napięcie przekraczające 10 kV i dochodzące do napięć stosowanych w sieciach energetycznych. Ważną korzyścią jest to, że wybrany potencjał, na przykład potencjał ziemi, rozprowadzany jest po całym uzwojeniu, co oznacza, że obszar z czołami zezwojów znajduje się praktycznie na potencjale ziemi lub na innym wybranym potencjale. Inną ważną korzyścią jest to, że izolacja olejowa oraz system chłodzenia nie występują w układzie. Oznacza to, że nie wystąpią żadne problemy z uszczelnieniami i że poprzednio wspomniany pierścień dielektryczny jest niepotrzebny.

Jedną z korzyści jest to, że system chłodzenia wymuszonego może być na potencjale zerowym. Stosując wirujące maszyny na wysokie napięcie o pojedynczym lub wielokrotnym uzwojeniu wedle wynalazku uzyskuje się również duże oszczędności miejsca z montażowego punktu widzenia ponieważ zastępują one poprzedni układ z dwoma stopniami transformatorów. Bardzo duże i zajmujące dużo miejsca wyprowadzenia uzwojeń, potrzebne w transformatorach przetwornikowych do izolowania od wysokiego napięcia DC oddziaływującego na te wyprowadzenia i na uzwojenia, są niepotrzebne w maszynie wedle wynalazku. Wynalazek nie wymaga zastosowania nadprzewodzącego wirnika unikając problemów, które są z nim związane, takimi jak utrzymanie niskiej temperatury, szczelne zamknięcie i temu podobne.

182 736

Wynalazek zakłada także stworzenie napędu maszyny wysokonapięciowej o zmiennej prędkości. W tym celu zastosowano wspomniany poprzednio przetwornik mocy AC/AC, co oznacza przetwarzanie z prądu zmiennego na prąd zmienny z ustalonym stosunkiem częstotliwości, amplitudy, przesunięcia fazowego i fazą początkową napięcia. Taki układ działa jako pewnego rodzaju transformator zmiennoprądowy, który jest w stanie zwiększyć lub zmniejszyć napięcie, zmienić częstotliwość i/lub zmienić fazę początkową.

Układ może pracować jako czysty przetwornik AC/AC, na przykład z przetwornikiem matrycowym, ale może także być zaprojektowany jako połączenie pośrednie stałoprądowe DC.

Wspomniane powyżej właściwości czynią ten układ w pełni przystosowany do pracy z dowolnym układem wirującej maszyny na wysokie napięcie o zmiennej prędkości, z wykorzystaniem maszyny wirującej na wysokie napięcie wedle wynalazku. Maszyna ta może być zgodnie z konwencjonalną technologią - zaprojektowana jako maszyna dwuuzwojeniowa zasilana przez dwa trójfazowe systemy o napięciach przesuniętych fazowo.

Z przyczyn ekonomicznych i innych techniczno-praktycznych maksymalny poziom napięcia uzwojeń maszyny wynosi 25-30 kV. Przy zastosowaniu maszyny jako napęd silnikowy moc pobierana może być z sieci zmiennego napięcia AC, która na przykład może być siecią 132 kV. Przetwarzanie mocy prądu zmiennego o stałej częstotliwości sieciowej na napięcie zmienne i zmienną częstotliwość, które są potrzebne do regulacji prędkości, ma miejsce przykładowo poprzez przetwarzanie AC/AC z pośrednim połączeniem stałoprądowym DC i na poziomie wyższym niż 25-30 kV. Częstotliwość sieciowa uzyskiwana jest poprzez transformator T3 z dwoma uzwojeniami wtórnymi potrzebnymi do uzyskania dwu napięć przesuniętych względem siebie o 30 stopni. Te dwa napięcia zasilane są odpowiednio przez przetworniki AC/AC, AC1 i AC2. Napięcie stałe z tych przetworników jest przekształcane następnie przy pomocy przetworników DC/AC, AC3 i AC4 na dwa napięcia trójfazowe, przesunięte względem siebie o 30 stopni, o poziomie napięcia i częstotliwości które są potrzebne do napędu silnika M i obciążania na przykład pompy, z wymaganą prędkością.

Jeżeli układ połączeń przeznaczony jest dla napędu turbinowego, to generator GF napędzany jest przez turbinę i dzięki przetwarzaniu mocy typu AC/AC uzwojenia transformatora T3 mogą mieć napięcie, którym zasilana ma być sieć AC.

Wynalazek został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, gdzie: fig. 1 przedstawia konwencjonalną stację przesyłową HVDC; fig. 2 pokazuje stację przesyłową HVDC z tak zwanym „połączeniem bezpośrednim”; fig. 3 pokazuje tak zwane połączenie transformatorowe międzyfazowe; fig. 4a przedstawia układ połączeń posiadający cztery równoległe przewodniki DC rozciągające się na krótką odległość; fig. 4b przedstawia układ, w którym uzwojenia maszyny znajdują się pod napięciem stałym DC; fig. 4c przedstawia połączenia równoległe napędu elektrycznej maszyny wirującej na wysokie napięcie według wynalazku; fig. 5 pokazuje części występujące w zmodernizowanym standardowym kablu prądowym; fig. 6 pokazuje rozwiązanie wycinka obwodu magnetycznego sektor/biegun w widoku czołowym osiowym w obwodzie magnetycznym według wynalazku.

Konwencjonalna stacja przesyłowa HVDC (fig. 1) zasadniczo składa się z pewnej ilości generatorów prądu zmiennego Gl- - - Gn, które zgodnie ze stanem techniki, mają napięcie 25-30 kV. Napięcie generatora podnoszone jest przez transformatory Al- - - An, najlepiej połączone z D/Y (trójkąt/gwiazdę) do odpowiedniego poziomu transmisji i przesyłane jest na mniejsze i większe odległości liniami przesyłowymi sieci prądu zmiennego wysokiego napięcia. Dominującą metodą prostowania prądu jest tak zwane prostowanie 12-impulsowe. Prawidłowy kształt sinusoidy w sieci prądu zmiennego zapewniają filtry prądu zmiennego umieszczone przy przetwornikach. Prostowanie 12-impulsowe zakłada, że połączone szeregowo mostki przetwornika BI— Bn zasilane są z układów prądu zmiennego przesuniętych fazowo co 30 stopni od siebie. Uzyskuje się to poprzez przyłączenie do sieci wysokiego napięcia ac transformatorów przetwornikowych Yl- - - Yn połączonych Y/Y (gwiazda/gwiazda) i odpowiednich transformatorów przetwornikowych Dl---Dn połączonych Y/D (gwiazda/trójkąt), które mogą zasilać przetworniki.

Ostatnio przedmiotem dyskusji stała się konstrukcja stacji przesyłowej HVDC, w której każdy generator połączony jest bezpośrednio z transformatorami przetwornikowymi połączo

182 736 nymi w Y/Y i Y/D. Taki układ opisany jest, między innymi, w wyżej wymienionym artykule w wydawnictwie ELECTRA i nazwany jest „połączeniem bezpośrednim”. Połączenie takie pokazuje fig. 2. Napięcie z generatorów GI---Gn przekazywane jest bezpośrednio do transformatorów przetwornika Y1---Yn i odpowiednio Dl---Dn. Takie połączenie stawia większe wymagania transformatorom przetwornikowym ponieważ muszą one transformować napięcie generatorów do poziomu odpowiadającemu poziomowi napięcia wymaganego przez system. Jednym z problemów występujących przy tego rodzaju połączeniach jest to, że składowe harmoniczne przetwornika mogą zwiększać straty w uzwojeniach stojanów generatorów.

Na fig. 3 pokazano specjalne połączenie międzyfazowe przetwornika transformatorowego. Zgodnie z fig. 1 i fig. 2 zasilanie przetworników SI i S2 odbywa się za pomocą dwóch trójfazowych napięć, przesuniętych o 30 stopni względem siebie, za pomocą transformatorów Tl i T2. Jeśli połączenie to zawiera dławiki R1 i R2, to na transformatorach liniowych lub generatorach nie pojawi się żadne napięcie stałe DC. Dławiki R1 i R2 wyposażone są często we wspólny rdzeń i uzwojenie jak również odczep środkowy.

Przy zastosowaniu połączenia pokazanego na fig. 1 i fig. 2 warstwa izolacji stałej stosowana jest zarówno na napięciu zmiennym A jak i stałym DC. Gdy zastosowany jest jednak układ połączeń pokazany na rysunku fig. 3 to wspomniana warstwa izolacji stałej stosowana jest tylko na napięciu zmiennym AC. Kabel, przy pomocy którego nawinięte jest uzwojenie maszyny według wynalazku, musi uwzględniać zjawisko występowania naprężeń napięciowych.

Jedną z ważnych przesłanek umożliwiających wytworzenie obwodu magnetycznego według wynalazku jest zastosowanie do wykonania uzwojenia kabla z warstwą półprzewodzącą w postaci płaszcza, otaczającą przewód, przy czym warstwa ta otoczona jest przez inną warstwę również w postaci płaszcza ze stałej izolacji, która z kolei otoczona jest przez inną warstwę półprzewodzącą w postaci płaszcza. Wewnętrzny przewód przewodzący prąd zawiera również pewną ilość niezaizolowanych żył. Dookoła tych żył przewidziana jest wewnętrzna warstwa półprzewodzącą. Dookoła tej wewnętrznej warstwy półprzewodzącej przewidziana jest warstwa izolacyjna ze stałej izolacji wytłaczanej. Przykładem takiej wytłaczanej izolacji jest XLPE lub alternatywnie guma wykonana jako guma silikonowa, żywica termoplastyczna lub żywica termoplastyczna z wiązaniami chemicznymi poprzecznymi. Warstwa izolacyjna jest otoczona zewnętrzną warstwą półprzewodzącą w postaci płaszcza, która z kolei jest otoczona przez metalowy ekran i osłonę. Taki kabel nazywany będzie w dalszym ciągu kablem energetycznym.

Maszyna wirująca wysokonapięciowa o uzwojeniu pojedynczym lub wielokrotnym w zespole według wynalazku ma jako uzwojenie kabel, którego najkorzystniejsze wykonanie pokazane jest na rysunku fig. 5. Kabel 1 pokazany jest na tym rysunku jako kabel posiadający przewód 2 przewodzący prąd elektryczny, który zawiera skręcone zarówno zaizolowane jak i niezaizolowane żyły. Możliwe jest również zastosowanie żył skręconych elektromechanicznie i odizolowanych od siebie przy pomocy izolacji wytłaczanej. Dookoła przewodu znajduje się wewnętrzna warstwa półprzewodzącą 3 w postaci płaszcza, która z kolei jest otoczona przez warstwę izolacyjną ze stałej izolacji 4 również w postaci płaszcza. Warstwa ta jest otoczona przez płaszczową zewnętrzną warstwę półprzewodzącą 5. Kabel użyty jako uzwojenie w przedstawionym uprzywilejowanym rozwiązaniu nie posiada żadnego ekranu metalowego i żadnej osłony zewnętrznej. Aby zapobiec powstawaniu prądów wirowych i związanych z nimi strat w zewnętrznej warstwie półprzewodzącej jest ona przecięta, najlepiej na czole zezwoju, to jest w miejscu wyjścia z rdzenia do czoła zezwoju. Każda z odciętych części połączona jest następnie z ziemią, przez co ten zewnętrzny półprzewodnik utrzymywany będzie w przybliżeniu na potencjale ziemi na całej swojej długości. Oznacza to, że powierzchnie dookoła tłoczonego izolowanego uzwojenia występujące na końcach tego uzwojenia i mogące mieć kontakt z otoczeniem i powierzchnie mogące się po pewnym czasie zabrudzić, wykazują znikomy potencjał w stosunku do ziemi i także wytwarzają one znikome pola elektryczne.

W celu zoptymalizowania maszyny wirującej wysokonapięciowej o uzwojeniu pojedynczym lub wielokrotnym ważne jest właściwe zaprojektowanie obwodu magnetycznego z punktu widzenia żłobków i zębów stojana. Jak wspomniano powyżej żłobki powinny dole

182 736 gać tak ściśle jak to możliwe do osłon boków zezwojów. Zalecane jest również, aby zęby stojana na każdym promieniu były tak szerokie jak to możliwe. Jest to ważne z punktu widzenia minimalizacji strat, z punktu widzenia wymagań magnetyzacyjnych i temu podobnych aspektów uwzględnianych przy projektowaniu maszyn.

Traktując przewód jako kabel opisany powyżej pojawia się wiele możliwości zoptymalizowania rdzenia magnetycznego z różnych punktów widzenia. W dalszej części omawiany jest obwód magnetyczny stojana elektrycznej maszyny wirującej. Figura 6 pokazuje rozwiązanie wycinka sektora i bieguna 6 obwodu magnetycznego w widoku czołowym osiowym w maszynie według wynalazku posiadającej wirnik wraz z biegunem 7. Stojan zbudowany jest w sposób konwencjonalny z laminowanego rdzenia z elektrycznych arkuszy w kształcie sektorów. Od strony jarzma rdzenia 8 położonego na promieniowo najbardziej oddalonym końcu, w kierunku wirnika wystają zęby 9. Pomiędzy zębami 9 znajdują się żłobki 10, których liczba odpowiada ilości zębów. Zastosowanie kabli 11 wedle powyżej przedstawionego rozwiązania pozwala między innymi na zastosowanie w maszynach wysokonapięciowych większej głębokości żłobków niż jest to możliwe wedle obecnego stanu techniki. Żłobki mają przekrój poprzeczny zwężający się w kierunku wirnika, ponieważ zapotrzebowanie na izolację jest mniejsze z każdą warstwą uzwojenia posuwając się w kierunku szczeliny powietrznej. Jak pokazano na rysunku, żłobek 10 składa się zasadniczo z części o przekroju okrągłym otworu 12 położonych dokoła każdej warstwy uzwojenia oraz z zacieśniających się przewężeń 13 pomiędzy warstwami uzwojenia. Tego typu przekrój poprzeczny żłobka określony może być z pewnym przybliżeniem jako „żłobek łańcuchowy”. W wykonaniu pokazanym na rysunku fig. 6 zastosowane są trzy różne wymiary izolacji kablowej, umieszczone w trzech odpowiednio zwymiarowanych sekcjach 14, 15 i 16, i w ten sposób uzyskiwany jest w praktyce żłobek typu okresowo-łańcuchowego. Rysunek ten pokazuje także, że zęby stojana mogą być ukształtowane z praktycznie stałą szerokością kątową na głębokości całego żłobka.

W innym alternatywnym rozwiązaniu kabel użyty jako uzwojenie może być konwencjonalnym kablem energetycznym, takim jak opisany powyżej. Uziemienie zewnętrznego ekranu półprzewodzącego może mieć wówczas miejsce przez odwinięcie metalowego ekranu i odpowiednie połączenie kabla.

Zakres wynalazku obejmuje olbrzymią ilość rozwiązań alternatywnych, zależnych od wymiarów kabla będącego w dyspozycji z punktu widzenia grubości izolacji oraz warstwy zewnętrznej półprzewodzącej, i innych czynników. Dlatego też rozwiązania ze żłobkami łańcuchowymi mogą nieco różnić się między sobą po to by uzyskać takie wyniki, które były opisane poprzednio.

Jak wspomniano powyżej obwód magnetyczny może być umieszczony w stojanie i/lub wirniku wysokonapięciowej elektrycznej maszyny wirującej z pojedynczym lub wielokrotnym uzwojeniem. Rozwiązanie obwodu magnetycznego będzie jednak zawsze odpowiadać podanemu powyżej opisowi niezależnie od tego czy obwód magnetyczny znajduje się w stojanie i/lub wirniku. Jak wspomniano w części wprowadzającej opisu, maszyna może być zaprojektowana jak maszyna ze szczeliną powietrzną bez materiału magnetycznego lub z materiałem magnetycznym tylko w tylnej części.

Jako najkorzystniejsze uzwojenia należy uważać uzwojenia kablowe wielowarstwowe, współśrodkowe. Taki typ uzwojenia powoduje, że ilość skrzyżowań przewodów na czołach uzwojeń jest zminimalizowana, co uzyskuje się przez umieszczenie wszystkich zezwojów w tej samej grupie promieniowo jeden nad drugim. Pozwala to także na zastosowanie prostszej metody wywarzania i nawlekania uzwojenia stojana na różne żłobki. Jeżeli maszyna wykonana jest jako maszyna z biegunami wydatnymi, to uzwojenie/uzwojenia będą nawinięte wokół tych wystających biegunów.

W innym rozwiązaniu alternatywnym maszyny wirującej wysokonapięciowej o uzwojeniu pojedynczym lub wielokrotnym, kabel może być nawinięty dookoła biegunów. W przykładach wykonań maszyn z pojedynczym lub wielokrotnym uzwojeniem omawianych w niniejszym opisie, podano wykonania z przepływem promieniowym strumienia i osiowo ukierunkowanymi prądami w uzwojeniach. Maszyny z pojedynczym lub wielokrotnym uzwojeniem z przepływem magnetycznym w osiowej szczelinie powietrznej i promieniowo ukierun

182 736 kowanymi prądami w uzwojeniach mogą być także zaprojektowane w sposób podobny do tego, który jest stosowany w maszynach niskonapięciowych wykorzystujących aktualną technikę.

W jednym z wykonań układu według wynalazku urządzenia półprzewodnikowe mogą stanowić część integralną maszyny elektrycznej wysokonapięciowej o pojedynczym lub wielokrotnym uzwojeniu.

Maszyna elektryczna wysokonapięciowa o pojedynczym lub wielokrotnym uzwojeniu i urządzenia prostownicze półprzewodnikowe mogą mieć ten sam system chłodzący.

Maszyna elektryczna wysokonapięciowa o pojedynczym lub wielokrotnym uzwojeniu i urządzenia prostownicze półprzewodnikowe powinny być podłączone do tego samego wspólnego układu uziemienia.

Spis odnośników

- kabel;

- przewód;

- wewnętrzna warstwa półprzewodząca;

- warstwa izolacyjna ze stałej izolacji;

- zewnętrzna warstwa półprzewodząca;

- wycinek sektor/biegun;

- wirnik wraz z biegunem;

- jarzmo rdzenia;

- zęby (stojana);

10-żłobki;

- kable;

- otwór (żłobka);

13-przewężenie (żłobka);

, 15, 16-sekcje (izolacji kablowej).

Claims (33)

1. Zespół elektrycznych maszyn wirujących o zakresie mocy od 1 MW do 15 GW zawierający maszynę wirującą z co najmniej jednym uzwojeniem oraz przetwornik, znamienny tym, że maszyna jest maszyną wysokonapięciową i zawiera obwód magnetyczny mający co najmniej jeden rdzeń magnetyczny i uzwojenia przesunięte fazowo względem siebie w przestrzeni, przy czym każde uzwojenie zawiera co najmniej jeden przewód (2) przewodzący prąd, i wokół każdego z tych przewodów (2) umieszczona jest wewnętrzna warstwa półprzewodząca (3) w postaci płaszcza o właściwościach półprzewodzących, i dookoła tej wewnętrznej warstwy półprzewodzącej (3) umieszczona jest warstwa izolacyjna ze stałej izolacji (4), i że dookoła tej warstwy izolacyjnej umieszczona jest zewnętrzna warstwa półprzewodząca (5) w postaci płaszcza o właściwościach półprzewodzących, przy czym zarówno przetwarzanie mocy mechanicznej (momentu mechanicznego i prędkości obrotowej) maszyny w prąd stały wysokiego napięcia i napięcie stałe, jak i przekształcanie stałego napięcia i prądu na moc mechaniczną dokonywane są bezpośrednio przez przetwornik, tj. bez udziału transformatorów pośredniczących i/albo dławików.

2. Zespół według zastrz. 1, znamienny tym, że przetwornik zawiera urządzenia półprzewodnikowe, które po podłączeniu w układ pracująjako przetwornik AC/DC.

3. Zespół według zastrz. 2, znamienny tym, że do przetwornika AC/DC podłączony jest falownik DC/AC przyłączony bezpośrednio do sieci napięcia zmiennego AC.

4. Zespół według zastrz. 3, znamienny tym, że na stronie stałonapęciowej DC falownika DC/AC podłączony jest prostownik DC/AC o bezpośrednim przyłączeniu do sieci zmiennonapięciowej AC (bez transformatorów pośredniczących i/lub dławików).

5. Zespół według zastrz. 1, znamienny tym, że przetwornik zawiera urządzenia półprzewodnikowe, które po podłączeniu w układ pracująjako przetwornik DC/AC.

6. Zespół według zastrz. 2 albo 5, znamienny tym, że urządzenia półprzewodnikowe stanowią układ złożony z tyrystorów, diod, triaków, tyiystorów wyłączalnych (GTO), tranzystorów bipolarnych (BJT), tranzystorów PWM, tranzystorów dwubramkowe MOSFET, tranzystorów bipolarnych z izolowaną bramką (UGBT), tranzystorów statycznych (SIT), tyrystorów statycznych (SITH), tyrystorów sterowanych MOS (MCT) i temu podobnych urządzeń o własnościach półprzewodnikowych.

7. Zespół według zastrz. 1, znamienny tym, że przetwornik stanowi integralną część maszyny wirującej wysokonapięciowej o uzwojeniu pojedynczym lub wielokrotnym.

8. Zespół według zastrz. 1 albo 2 albo 5, znamienny tym, że maszyna wirująca wysokonapięciowa o uzwojeniu pojedynczym lub wielokrotnym i urządzenia półprzewodnikowe mają wspólny system chłodzenia.

9. Zespół według zastrz. 1 albo 2, albo 5, znamienny tym, że maszyna wirująca wysokonapięciowa o uzwojeniu pojedynczym lub wielokrotnym i urządzenia półprzewodnikowe mają to samo wspólne uziemienie.

10. Zespół według zastrz. 1, znamienny tym, że w maszynie wirującej o uzwojeniu pojedynczym lub wielokrotnym wewnętrzna warstwa półprzewodząca (3) posiada ten sam potencjał elektryczny co i przewód (2).

11. Zespół według zastrz. 1, znamienny tym, że w maszynie wirującej o uzwojeniu pojedynczym lub wielokrotnym zewnętrzna warstwa półprzewodząca (5) wyznacza ekwipotencjalną powierzchnię dookoła przewodu/przewodów (2).

12. Zespół według zastrz. 1, znamienny tym, że w maszynie wirującej o uzwojeniu pojedynczym lub wielokrotnym zewnętrzna warstwa półprzewodząca (5) podłączona jest do potencjału ziemi.

182 736

13. Zespół według zastrz. 1, znamienny tym, że w uzwojeniu maszyny wirującej wszystkie warstwy półprzewodzące i izolacyjne posiadają takie same własności cieplne, do zapobiegania uszkodzeniom i pęknięciom w częściach izolacyjnych przy termicznym rozszerzaniu i kurczeniu się uzwojenia.

14. Zespół według zastrz. 1, znamienny tym, że w maszynie wirującej o uzwojeniu pojedynczym lub wielokrotnym każdy przewód (2) przewodzący prąd składa się z żył zaizolowanych niewielkiej liczby żył nie zaizolowanych w stosunku do siebie.

15. Zespół według zastrz. 1, znamienny tym, że uzwojenia maszyny wirującej o uzwojeniu pojedynczym lub wielokrotnym, w której obwód magnetyczny posiada rdzeń magnetyczny i uzwojenia przesunięte fazowo w przestrzeni, zawierają kabel składający się z co najmniej jednego przewodzącego prąd przewodu (2), a każdy przewód (2) składa się z żył i wokół każdego z przewodów znajduje się wewnętrzna warstwa półprzewodząca (3), wokół której znajduje się warstwa ze stałej izolacji (4), wokół której usytuowana jest zewnętrzna warstwa półprzewodząca (5).

16. Zespół według zastrz. 15, znamienny tym, że w maszynie wirującej, o uzwojeniu pojedynczym lub wielokrotnym z obwodem magnetycznym, kabel (1) posiada metalowy ekran i/lub osłonę.

17. Zespół według zastrz. 15, znamienny tym, że obwód magnetyczny maszyny wirującej, o uzwojeniu pojedynczym lub wielokrotnym, znajduje się w stojanie i/lub wirniku elektrycznej maszyny wirującej.

18. Zespół według zastrz. 15, znamienny tym, że zewnętrzna warstwa półprzewodząca (5) maszyny wirującej, o uzwojeniu pojedynczym lub wielokrotnym, rozcięta jest na kilka części, z których każda podłączona jest do potencjału ziemi.

19. Zespół według zastrz. 15 albo 18, znamienny tym, że poprzez połączenie zewnętrznej warstwy półprzewodzącej (5) maszyny wirującej, o uzwojeniu pojedynczym lub wielokrotnym, z potencjałem ziemi, pole elektryczne maszyny na zewnątrz zewnętrznej warstwy półprzewodzącej (5) zarówno w żłobkach (10) jak i w rejonie czół zezwojów będzie bliskie zeru.

20. Zespół według zastrz. 15, znamienny tym, że w przypadku gdy kabel (1) zawiera kilka przewodów to są one skręcone na długości.

21. Zespół według zastrz. 15, znamienny tym, ze każdy przewód (2) przewodzący prąd, uzwojenia maszyny wirującej o uzwojeniu pojedynczym lub wielokrotnym, zawiera zarówno izolowane jak i nieizolowane żyły skręcone na długości w kilku warstwach.

22. Zespół według zastrz. 15, znamienny tym, że żłobki (10) uzwojenia maszyny wirującej o uzwojeniu pojedynczym lub wielokrotnym, ukształtowane są w postaci cylindrycznych otworów (12) leżących jeden nad drugim i powiększających się osiowo i promieniowo oraz posiadających przekroje kołowe oddzielone od siebie przewężoną częścią (13) położoną pomiędzy tymi cylindrycznymi otworami (12).

23. Zespół według zastrz. 15 albo 22, znamienny tym, że kołowy przekrój poprzeczny cylindrycznych otworów (12) tworzących żłobki (10), posiada promień zmniejszający się w sposób ciągły licząc od laminowanego jarzma rdzenia (8).

24. Zespół według zastrz. 15 albo 22, znamienny tym, że kołowy przekrój poprzeczny otworów cylindrycznych (12) tworzących żłobki, posiada promień zmniejszający się w sposób nieciągły licząc od laminowanego jarzma rdzenia (8).

25. Zespół według zastrz. 1, znamienny tym, że maszyna wirująca jest maszyną wysokonapięciową zawierająca obwód magnetyczny mający co najmniej jeden rdzeń magnetyczny i uzwojenia przesunięte fazowo względem siebie w przestrzeni, a uzwojenia zawierają co najmniej jeden przewód (2) przewodzący prąd, wokół każdego z przewodów (2) znajduje się wewnętrzna warstwa półprzewodząca (3), otoczona warstwa izolacyjna ze stałej izolacji (4), i wokół warstwy izolacyjnej ze stałej izolacji (4) umieszczona jest zewnętrzna warstwa półprzewodząca (5), przy czym rdzeń magnetyczny ukształtowany jest z biegunami wydatnymi.

26. Zespół według zastrz. 1, znamienny tym, że maszyna wirująca jest maszyną wysokonapięciową zawierająca obwód magnetyczny mający co najmniej jeden rdzeń magnetyczny i uzwojenia przesunięte fazowo względem siebie w przestrzeni, a uzwojenia zawierają co

182 736 najmniej jeden przewód (2) przewodzący prąd, wokół każdego z przewodów (2) znajduje się wewnętrzna warstwa półprzewodząca (3), otoczona warstwa izolacyjna ze stałej izolacji (4), i wokół warstwy izolacyjnej ze stałej izolacji (4) umieszczona jest zewnętrzna warstwa półprzewodząca (5), przy czym maszyna jest maszyną ze szczeliną powietrzną.

27. Zespół według zastrz. 26, znamienny tym, że w maszynie wirującej strumień magnetyczny w szczelinie powietrznej jest promieniowy.

28. Zespół według zastrz. 26, znamienny tym, że w maszynie wirującej strumień magnetyczny w szczelinie powietrznej jest osiowy.

29. Sposób wytwarzania zespołu elektrycznych maszyn wirujących wysokonapięciowych, z maszyną o uzwojeniu pojedynczym lub wielokrotnym zawierającą uzwojenie i obwód magnetyczny posiadający żłobki, kanały lub temu podobne, przy czym żłobki lub im podobne elementy posiadają przynajmniej jeden otwór od strony zewnętrznej rdzenia magnetycznego, znamienny tym, że uzwojenie maszyny wirującej zawiera co najmniej jeden przewód (2) przewodzący prąd, a wokół każdego z przewodów (2) umieszcza się wewnętrzną warstwę półprzewodzącą (3), wokół wewnętrznej warstwy półprzewodzącej (3), umieszcza się warstwę izolacyjną ze stałej izolacji (4), i wokół warstwy izolacyjnej ze stałej izolacji (4) umieszcza się zewnętrzną warstwę półprzewodzącą (5).

30. Sposób wytwarzania zespołu elektrycznych maszyn wirujących według zastrz. 29, znamienny tym, że uzwojenie jest giętkie i wwleka się je w otwór (12) żłobka (10).

31. Sposób wytwarzania zespołu elektrycznych maszyn wirujących według zastrz. 29, znamienny tym, że uzwojenie maszyny wirującej kształtuje się z kabla (1) zawierającego co najmniej jeden przewód (2) przewodzący prąd, a wokół każdego z przewodów (2) umieszcza się wewnętrzną warstwę półprzewodzącą (3), wokół wewnętrznej warstwy półprzewodzącej (3), umieszcza się warstwę izolacyjną ze stałej izolacji (4), i wokół warstwy izolacyjnej ze stałej izolacji (4) umieszcza się zewnętrzną warstwę półprzewodzącą (5).

32. Sposób wytwarzania zespołu elektrycznych maszyn wirujących według zastrz. 31, znamienny tym, że kabel (1) wwleka się w cylindryczne otwory (12) żłobków (10).

33. Sposób wytwarzania zespołu elektrycznych maszyn wirujących według zastrz. 31, znamienny tym, że kabel (1) nawija się na wystające bieguny stojana lub/i wirnika maszyny wirującej.