Rys. D.6. Wypalenie w strefie połączeń międzygrupowych uzwojenia stojana Fig. D.6. Buming-off in the zone of intergroup connections of the stator winding
Podobne przetarcia izolacji występują w miejscach styku dolnych półcewek uzwojenia stojana z pierścieniami usztywniającymi (rys. D.7a). W wyniku tego występuje zwarcie uzwojenia do korpusu silnika, do którego metalicznie są połączone wsporniki pierścieni usztywniających. Przecieranie izolacji głównej cewek występuje również w części żłobkowej (rys. D.7b); przy czym głównie w tych silnikach, w których części żłobkowe cewek są nieprawidłowo ukształtowane - zewnętrzny zarys przekroju poprzecznego jest bardziej zbliżony do owalu niż do prostokąta o zaokrąglo
nych narożach. Działanie sił elektrodynamicznych w żłobku pakietu stojana powoduje z czasem zmniejszenie wysokości przekroju poprzecznego części żłobkowej cewek;
w wyniku tego powstają luzy promieniowe umożliwiające drgania promieniowe cewek w części żłobkowej.
a) b)
Rys. D.7. Widoki przetartej izolacji uzwojenia stojana: a) w strefie styku z pierścieniem usztywniającym, b) w części żłobkowej cewki
Fig. D.7. Views of frayed insulation of the stator winding: a) in the contact zone with stiffening ring, b) in the slot part of the coil
Dodatek
185
Stosunkowo często w wyniku awarii silnika powstają zwarcia uzwojenia stojana do pakietu żelaza. Występuje ono głównie na wyjściu cewek ze żłobków pakietu i jest często przyczyną wypalenia blach pakietu w strefie zwarcia (rys. D.8a i b). Przyczyną takich skutków awarii są z jednej strony drgania cewek w strefie żłobkowej, a z drugiej - duże naprężenia w izolacji głównej cewek, wywołane w tej strefie działaniem sił elektrodynamicznych na czoła uzwojenia stojana.
Rys. D.8. Widoki wypaleń blach pakietu w strefach zwarć uzwojenia do pakietu żelaza Fig. D.8. Views of buming-off in short-circuit zones between the winding and core stack
W silnikach o mocy 3150 kW występują bardzo często upalenia połączeń skraj
nych zezwojów poszczególnych grup fazowych w strefie połączenia z przewodami za
silającymi, wykonanymi w kształcie obręczy z drutu o przekroju kołowym (rys. D.9).
Najczęściej upalenia takie występują po krótkim okresie eksploatacji w silnikach, w których główki cewek są dodatkowo usztywniane przekładkami (rys. D.9). Badania mikroskopowe wykazały pęknięcia przedłużeń przewodów zwojowych w strefie połączeń lutowniczych z przewodami zasilającymi. Obliczenia układu połączeń z prze
wodami zasilającymi w kształcie obręczy wykazały, że niektóre częstotliwości drgań własnych są zbliżone do 50 Hz lub 100 Hz.
Rys. D.9. Widoki wypaleń w strefie połączeń przewodów zwojowych z przewodami zasilającymi Fig. D.9. Views of buming-off in the connection zone between conductors and power leads
ZAGADNIENIA ELEKTROMECHANICZNE CZÓŁ UZWOJEŃ STOJANÓW MASZYN ELEKTRYCZNYCH DUŻEJ MOCY PRĄDU PRZEMIENNEGO
STRESZCZENIE
Monografia obejmuje trzy grupy zagadnień elektromechanicznych występujących w czołach uzwojeń stojanów maszyn indukcyjnych dużej mocy. Pierwsza z nich doty
czy doboru kształtu czół uzwojenia stojana oraz szablonów kształtujących czoła ce
wek. Druga grupa zagadnień obejmuje obliczenia i analizę sił elektrodynamicznych działających na czoła uzwojeń stojanów maszyn indukcyjnych w nieustalonych stanach ich pracy. Trzecia grupa dotyczy odkształceń czół uzwojeń stojanów wywołanych działaniem sił elektrodynamicznych.
Przedstawiono własną metodę zapisu analitycznego pełnego przestrzennego za
rysu czół uzwojenia stojana, przystosowaną do komputerowego wspomagania doboru ich kształtu. Podano zasady prawidłowego ukształtowania czół uzwojenia stojana.
Opracowany w tym celu program komputerowy KUS umożliwia wyznaczanie zarysu czół cewek oraz szablonów do ich ręcznego lub maszynowego kształtowania. Program ten uwzględnia różne rozwiązania konstrukcyjne uzwojenia stojana oraz różne technologie wykonania szablonów kształtujących czoła cewek, stosowane w zakładach wytwórczych i remontowych maszyn elektrycznych dużej mocy. Podano przykłady zastosowania opracowanej metody wyznaczania zarysu czół cewek oraz szablonów do ich kształtowania.
Zaprezentowano własne algorytmy obliczeń oraz przedstawiono opracowane programy komputerowe PEL i SEL do obliczeń sił elektrodynamicznych działających na czoła uzwojeń stojanów silników indukcyjnych dużej mocy i turbogeneratorów.
Do obliczeń sił elektrodynamicznych przyjęto sprawdzoną wcześniej metodę wyzna
czania oddziaływań elektrodynamicznych między przewodami z prądem elektrycznym.
W obliczeniach uwzględniono przestrzenny kształt czół uzwojenia stojana i uzwojenia wirnika lub jego obwodów zastępczych. Przyjęto prądy w „nitkowych” przewodach uzwojeń lub nitkowych obwodach zastępczych wirnika oraz uwzględniono oddziały
wanie rdzenia stojana i korpusu maszyny metodą zwierciadlanych odbić. Przeanalizo
wano wpływ kątów nachylenia tworzących stożków, na których są rozmieszczone czoła uzwojenia stojana na wartości sił elektrodynamicznych. Podano wyniki analizy
Streszczenia
187
komputerowej sił elektrodynamicznych działających na czoła uzwojenia stojana w róż
nych stanach nieustalonej pracy silników i turbogeneratorów
W obliczeniach i analizie odkształceń czół uzwojenia stojana zastosowano dwie metody. Pierwsza z nich jest oparta na opracowanym algorytmie obliczeń i programie komputerowym MAK oraz OSC. Umożliwia ona dobór optymalnych usztywnień czoła wyodrębnionej cewki uzwojenia stojana, obciążonej siłami elektrodynamicz
nymi. Druga metoda polega na wykorzystaniu typowych programów komputerowych opartych na metodach elementów skończonych. Do budowy modelu obliczeniowego w tych programach wykorzystano wyniki obliczeń w pakiecie programów kompute
rowych CUSMEL, łączącym wszystkie ww. programy komputerowe. Zastosowanie programów opartych na MES umożliwia obliczenia i analizę odkształceń przestrzen
nego układu czół uzwojenia stojana, wywołanych działaniem sił elektrodynamicznych.
Podano wyniki analizy komputerowej odkształceń czół uzwojenia stojana jednego z silników indukcyjnych dużej mocy oraz podano analizę komputerową skutków dzia
łania sił elektrodynamicznych, występujących w wyniku awarii silników indukcyjnych dużej mocy. Pokazano przykłady typowych skutków awarii uzwojeń stojanów takich silników pracujących w elektrowniach zawodowych i elektrociepłowniach, które zostały wywołane działaniem sił elektrodynamicznych.
Przedstawiono metody pomiarów i badań w warunkach laboratoryjnych i prze
mysłowych skutków działania sił elektrodynamicznych na czoła uzwojeń stojanów ma
szyn indukcyjnych dużej mocy. Podano wyniki pomiarów amplitudy czół uzwojeń stojanów silników indukcyjnych, przeprowadzonych na stacjach prób oraz w elektrow
niach zawodowych.
ELECTROMECHANICAL PROBLEMS INVOLVING STATOR END WINDINGS OF HIGH-POWER ALTERNATING CURRENT ELECTRIC
MACHINES
ABSTRACT
The monograph covers three groups of electromechanical problems occurring in stator end windings of high-power induction machines. The first group involves the selection of appropriate shapes of stator end windings and formers to form coil overhangs. The second group covers the calculations and analysis of electrodynamic forces acting on stator end windings of induction machines in nonstationary states of their operation. The third group involves the deformations of stator end windings effected by electrodynamic forces.
We present our own method of analytical notation involving the full spatial con
tours of stator end windings, adapted for computer-aided selection of their shapes. We also provide principles for appropriate shaping of stator end windings. The computer programme KUS elaborated for those purposes makes it possible to define the contours of coil overhangs and forms for manual or machine-made forming. The programme allows for various constructional solutions of stator windings as well as various pro
duction technologies involving formers for shaping coil overhangs, which are applied in production or repair plants for high-power electric machines. We provide a few exemplary applications involving the elaborated method for the determination of contours of coil overhangs and formers for their shaping.
We present our own calculation algorithms and computer programmes PEL and SEL elaborated for the calculation of electrodynamic forces acting on stator end windings of high-power induction motors and turbogenerators. For the calculations of electrodynamic forces, we applied the method for the determination of electrodynamic reaction between the leads and electric current, which had already been used successfully. We allowed in the calculations for spatial form of stator end windings and rotor windings, or respective equivalent circuits. We assumed the currents in ‘thread’ winding leads or thread equivalent circuits of the rotor, and we took into consideration the reaction of stator iron and machine casing, using the method of mirror reflections. We analyzed the influence of the inclination angles
Streszczenia
189
forming the cones, upon which stator end windings are located, on electrodynamic forces. Furthermore, we provide the results of computer analysis involving electrody
namic forces acting on stator end windings in different states of nonstationary opera
tion of motors and turbogenerators.
Two methods were applied for the calculations and analysis of stator end windings. The first one is based on the elaborated calculation algorithm and on com
puter programmes MAK and OSC. Due to the application of this method, it is possible to select optimal stiffening of the overhang of a given stator winding coil loaded with electrodynamic forces. The second method consists in the application of common computer programmes based on finite element methods. For the construction of the calculation model in these programmes, we used calculation results carried out in the software package CUSMEL which combines the computer programmes mentioned above. By the application of programmes based on MES, we can calculate and analyze deformations of the spatial system of stator end windings effected by electromagnetic forces. We provide also the results of computer analysis involving the deformations of stator end windings of one high-power induction motor as well as computer analysis involving the effects of electromagnetic forces which occur as a result of break-downs of high-power induction motors. We provide examples of typical effects of break
downs involving stator windings of such motors installed in commercial power plants and heat and power stations, which were effected by electrodynamic forces.
We present measurement and testing methods in laboratory and operating condi
tions involving the effects of electrodynamic forces acting on stator end windings of high-power induction motors. We present also the measurement results involving the amplitude of stator end windings of induction motors carried out at testing stations and commercial power stations.