ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ KATEDRA ELEKTROMECHANIKY A VÝKONOVÉ ELEKTRONIKY DIPLOMOVÁ PRÁCE Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 Abstrakt Předkládaná dilomová ráce se zabývá návrhem vzduchem chlazeného synchronního generátoru s válcovým rotorem - turboalternátoru. V rvní kaitole je uveden elektromagnetický návrh synchronního stroje vycházející ze zadaných arametrů. V druhé kaitole je roveden orientační výočet otelení statoru a budícího vinutí generátoru. Výočet otelení uvaţovaných částí stroje je roveden metodou náhradních teelných obvodů. Součástí této ráce jsou schematické výkresy konstrukčního usořádání stroje v říčném a odélném řezu. Klíčová slova výočet. Turboalternátor, synchronní generátor, válcový rotor, elektromagnetický návrh, teelný

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 Abstract The resented diloma thesis deals with the design of an air-cooled synchronous generator with cylindrical rotor - turbo-alternator. The first chater describes the electromagnetic design of a synchronous machine based on the secified arameters. The second chater is focused on aroximate calculation of the temerature rise of stator and exciter windings. Calculation of the temerature rise of considered arts of the machine is erformed by method of equivalent thermal circuits. This thesis also consists of schematic drawings of the structural configuration of the machine in transverse and longitudinal section. Keywords Turbo-alternator, synchronous generator, cylindrical rotor, electromagnetic design, thermal calculation.

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 Prohlášení Předkládám tímto k osouzení a obhajobě dilomovou ráci, zracovanou na závěr studia na Fakultě elektrotechnické Záadočeské univerzity v Plzni. Prohlašuji, ţe jsem tuto dilomovou ráci vyracoval samostatně, s ouţitím odborné literatury a ramenů uvedených v seznamu, který je součástí této dilomové ráce. Dále rohlašuji, ţe veškerý software, ouţitý ři řešení této dilomové ráce, je legální. V Plzni dne. 5. 05 Bc. Lukáš Zíka..

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 Poděkování Tímto bych rád oděkoval vedoucímu dilomové ráce Doc. Ing. Josefovi Červenému, CSc. za cenné rofesionální rady, řiomínky a metodické vedení ráce.

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 Obsah OBSAH... 8 SEZNAM SYMBOLŮ A ZKRATEK... 9 ÚVOD... ELEKTROMAGNETICKÝ NÁVRH.... ZADANÉ HODNOTY.... ZÁKLADNÍ HODNOTY.... NÁVRH VINUTÍ INDUKTU (STATORU)..... Parametry vinutí... 4.. Výočet činitelů vinutí... 6.. Návrh drážky... 7..4 Určení čelní části statorového vinutí... 0..5 Odor a roztylová reaktance statorového vinutí....4 NÁVRH MAGNETICKÉHO OBVODU... 4.4. Určení magnetického toku... 4.4. Velikost vzduchové mezery... 5.4. Magnetické naětí reakce kotvy... 5.4.4 Dimenzování magnetického obvodu... 5.4.5 Délky středních siločar částí magnetického obvodu... 6.4.6 Charakteristika narázdno... 6.5 NÁVRH BUDÍCÍHO VINUTÍ....6 KROUŢKY A KARTÁČE... 4.7 ZTRÁTY A ÚČINNOST... 6.7. Ztráty... 6.7. Účinnost... 8 TEPELNÝ VÝPOČET... 9. URČENÍ NÁHRADNÍ TEPELNÉ SÍTĚ... 9. VÝPOČET OTEPLENÍ INDUKTU... 40.. Určení ztrát v uvažovaném úseku... 4.. Výočet teelných odorů... 4.. Určení okolních telot vymezeného úseku... 44..4 Sestavení a řešení náhradního teelného obvodu vymezeného úseku... 46..5 Otelení čel vinutí... 47. VÝPOČET OTEPLENÍ BUDÍCÍHO VINUTÍ... 48.. Výočet teelných odorů... 49.. Sestavení a řešení náhradního teelného obvodu vymezeného úseku... 5 ZÁVĚR... 54 SEZNAM LITERATURY A INFORMAČNÍCH ZDROJŮ... 56 SEZNAM PŘÍLOH... 57 8

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 Seznam symbolů a zkratek A... Obvodová roudová hustota [A m - ] a... Počet aralelních větví [-] A m... Činitel mechanických ztrát [-] B... Magnetická indukce [T] C... Essonův činitel elektromagnetického vyuţití [kva m - (ot/min) - ] c... Vzdálenost mezi čely [m] C... Deformační činitel růběhu magnetické indukce ve vzduchové mezeře [-] cos φ... Účiník [-] c... Hmotnostní měrné telo [W s kg - K - ] c v... Objemové měrné telo [W s m - K - ] f... Frekvence [Hz] F... Magnetické naětí [A] H... Intenzita magnetického ole [A m - ] I... Elektrický roud [A] k c... Carterův činitel [-] m... Hmotnost [kg] m... Počet fází [-] m... Matematický očet fází [-] n... Otáčky [ot min - ] o... Délka oka čela [m] P... Činný výkon [W]... Počet ólových dvojic [-] Q... Počet dráţek statoru [-] q... Počet dráţek na ól a fázi [-] R... Elektrický odor [Ω] R... Teelný odor [K W - ] S... Zdánlivý výkon [VA] U... Elektrické naětí [V] u... Procentní hodnota elektrického naětí [%] v... Výběh vinutí z dráţky [m] X... Reaktance [Ω] x... Procentní hodnota reaktance [%] 9

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 y... Cívkový krok [-] z... Šířka zubu [m] α... Součinitel řestuu tela [W m - K - ] α č... Úhel sklonu čel [º] β... Poměrné zkrácení kroku vinutí [-] γ σ... Poměrná hodnota roztylového magnetického toku [-] δ... Velikost vzduchové mezery [m] ΔP... Ztrátový výkon [W] Δ Fe... Ztrátové číslo lechů [W kg - ] Δϑ... Otelení [K] η... Účinnost [-] ϑ... Telota [ºC] λ... Součinitel teelné vodivosti [W m - K - ] ν... Řád harmonické [-] ξ... Náhradní výška vodiče [m] ρ... Hustota [kg m - ] ρ... Měrný elektrický odor [Ω m] σ... Proudová hustota [A m - ] Ф... Magnetický tok [Wb] 0

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 Úvod Turboalternátory jsou synchronní generátory, které jsou vyuţívány k výrobě elektrické energie v teelných a jaderných elektrárnách. Zde jsou oháněny arní nebo lynovou turbínou. Tyto turbíny mají ekonomický rovoz ři vysokých otáčkách. Proto se tyto stroje ouţívají ři frekvenci 50 Hz jako dvouólové, tedy na 000 ot min -. Při frekvenci 60 Hz se mohou ouţít i jako čtyřólové, kdy je otáčivá rychlost rotoru 800 ot min -. Vzhledem k vysoké otáčivé rychlosti ůsobí na rotor značné odstředivé síly, a roto je omezen růměr rotoru D r,, m. Z tohoto důvodu vychází stroje s hladkým rotorem štíhlé, tzn. o malém růměru a velké délce ve srovnání se stroji s vyniklými óly. To však klade větší nároky na intenzivní chlazení generátoru, aby se ztrátové telo odvedlo i ze střední části dlouhého statoru a rotoru. V současné době není na trhu otávka o strojích velkých výkonů, ale o strojích relativně menších výkonů (do 50 MW) a hlavně jednoduché konstrukce, tzn. se vzduchovým chlazením. Dříve se turboalternátory od cca. 80 MW běţně vyráběly s vodíkovým chlazením a od cca. 0 MW s kombinovaným chlazením voda-vodík. Vývoj materiálů a návrhových metod elektrických strojů umoţnil výrobu turboalternátorů ouze se vzduchovým chlazením aţ do výkonu cca. 50 MW. Velké zásluhy na tom nese vývoj izolačních materiálů ouţívaných na izolaci vinutí, kdy se nyní vyuţívá izolace s lešími izolačními schonostmi, a roto se můţe dovolit menší tloušťka izolace vinutí, tzn. v dráţce je více místa ro aktivní vodiče a je umoţněn leší řestu ztrátového tela z vodiče do jeho okolí. Dalším důvodem je vývoj materiálů ro elektrotechnické lechy, kdy ři shodném sycení magnetickou indukcí vykazují tyto materiály menší ztráty. Nadměrné zvýšení teloty v elektrickém stroji zůsobuje zkrácení ţivotnosti izolace vinutí a tedy i zkrácení ţivotnosti celého stroje, roto výočet otelení a návrh ventilačního systému ředstavují důleţité části návrhu elektrického stroje. Důleţitost chlazení elektrických strojů dokazuje skutečnost, ţe chlazení rozhoduje o vyuţití aktivních materiálů nově navrhovaných strojů a tím i o zmenšování hmotnosti na jednotku výkonu a je jedním z rozhodujících činitelů rovozní solehlivosti.

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 Elektromagnetický návrh Elektromagnetický návrh obsahuje: - určení hlavních rozměrů a arametrů stroje - návrh vinutí induktu včetně izolačního systému a usořádání vinutí v dráţce - dimenzování magnetického obvodu a sestrojení charakteristiky narázdno - návrh budícího vinutí - určení odorů a reaktancí - výočet ztrát a účinnosti Postu elektromagnetického návrhu je sestaven omocí [], [] a [4].. Zadané hodnoty Pro výočet jsou zadány následující hodnoty: Zdánlivý výkon Sdruţené naětí Počet fází m Jmenovité otáčky Frekvence Účiník S 50 MVA U 0, 5kV n 000 ot min f 50 Hz cos 0,8. Základní hodnoty Ze zadaných hodnot jsou vyočteny základní hodnoty otřebné ro následující výočty. Činný výkon P S cos 50000 0,8 40000kW (.) Fázové naětí U 0 500 U f 606 V Počet ólárů 60 f 6050 n 000 (.) (.)

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 Počet ólů Fázový roud I S U s 500000 0500 Vnitřní růměr (vrtání) statoru: a) Podle emirického vztahu 749 A 0,65 0,85 0,65 0,85 S 0,08 50 000 0, m D 0,08 9 b) Z grafu (sestrojeného na základě zkušeností z mnoha jiţ rovedených strojů) ([] str. 487, obr. 644) D 0, 95 m Volím vnitřní růměr statoru D 0, 9 m Meziólová rozteč D 0,9 t, 44 m (.4) (.5) (.6) (.7) Předběţná obvodová roudová hustota odečteno z grafu Příloha č. : Indukce ve vzduchové mezeře odečteno z grafu Příloha č. : A 90 000 A m B 0, 9 T. Návrh vinutí induktu (statoru) S ohledem na vnitřní růměr statoru a naětí volím mezidráţkovou rozteč na vnitřním růměru statoru t d 50 mm Tomu odovídá: Počet dráţek induktu D Q t d 9 50 57,7 Q 58 (.8)

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 Počet dráţek na ól a fázi Q 58 q 9,67 q 0 m Přesný očet dráţek induktu Q m q 0 60 5 (.9) (.0) Po volbě řekladového čísla k obdrţím očet segmentů n 6 a očet dráţek na řeklad Q 5. ř S Předběţný očet závitů jedné fáze v sérii N s D A.0,9.90 000 m I 749 5,65 (.) Počet vodičů v dráţce n d a N 4 5,65 s 6,6 nd q 0 6 (.) kde a (volím a 4 ) je očet aralelních větví kaţdé fáze střídavého vinutí. Po určení očtu aralelních větví a vodičů v dráţce vyočtu skutečný očet závitů jedné fáze v sérii a skutečnou hodnotu obvodové roudové hustoty: Skutečný očet závitů jedné fáze v sérii N s n q 6 0 4 d a Skutečná hodnota obvodové roudové hustoty 5 (.) A m I 749 N s 5 86 57 A m D 0,9 (.4).. Parametry vinutí Počet dráţek Počet ólů Q 60 Počet fází m ' Matematický očet fází m 6 Počet dráţek na ól a fázi q 0 Ty vinutí smyčkové, nekříţené 4

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 Počet dráţek na ól Q Q 60 0 (.5) Volím cívkový krok tak, aby ve výstuním statorovém naětí byl co moţná největší odíl. harmonické sloţky a co nejmenší odíl 5. harmonické sloţky, coţ se docílí tím, ţe cívkový krok zvolím tak, aby hodnota oměrného zkrácení kroku se co nejvíce blíţila číslu 0,8: y d 5 Poměrné zkrácení kroku y Q d Krok na komutátoru y k 5 0,8 0 K a ss Základní stejnosměrné vinutí je smyčkové ( 0 ), nekříţené (v čitateli je znaménko + ). Kroky v očtu cívkových stran: Přední cívkový krok y u y d 5 5 Zadní cívkový krok (.6) (.7) (.8) y k y y 5 47 Vinutí střídavé: Počet skuin vinutí a ss m' 6 Počet skuin v jedné fázi a ss m 6 4 m Počet cívek ve skuině Q 60 5 a m 6 ss (.9) (.0) (.) (.) 5

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05.. Výočet činitelů vinutí Činitel vinutí ν-té harmonické k v sin sin m n sin m n (.) kde řád harmonické oměrné zkrácení kroku m matematický očet fází n čitatel ve zlomkovém tvaru očtu dráţek na ól n 0 a fázi ( q ) c Činitel vinutí základní harmonické ( ) sin sin 0,8 6 0sin 6 0 k v 0,98 (.4) Po ostuném dosazení za 5,7,, určím činitele vinutí říslušných harmonických k v5 0,05 k v7 0,06 k v 0,0887 k v 0,0767 Nyní mohu určit hodnotu Essonova činitele elektromagnetického vyuţití stroje kva C A B kv 86,57 0,9 0,98 8,5 60 60 ot m min kdyţ obvodová roudová hustota A je dosazena v [ka]. (.5) 6

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 Z toho vychází efektivní délka stroje S 50 000 l e, 47 m C D n 8,5 0,9 000 (.6) Předokládám ouţití radiálních ventilačních kanálů, které rozdělí lechový svazek induktu na akety o zvolené šířce š 50 mm, řičemţ volím šířku ventilačního kanálu š k 0 mm. Počet aketů l i š e,47 46,94 i 47 0,05 Počet ventilačních kanálů i k i 47 46 Celková délka induktu (včetně radiálních ventilačních kanálů) L le šk ik,47 0,0 46, 807 m (.7) (.8) (.9).. Návrh drážky V říadě, kdy jsou vodiče v dráţce ( n ), se ouţije ermutovaná (Roebelova) tyč, v mém návrhu je 6 vodičů v dráţce ( n 6 ), jedná se tedy o závitové vinutí. Prostor ro d šířku holého vodiče a hloubku dráţky se určí dle Tab... Na induktu ouţiju otevřenou obdélníkovou dráţku tvaru M, tzn., ţe zuby budou lichoběţníkového tvaru. Velikost dráţkové rozteče na růměru D d D 9 t d 47, 8mm Q 60 (.0) Šířka zubu z B B t 0,9 47,8 d z k Fe,7 0,9 8, mm (.) kde B z, 7T je hodnota magnetické indukce v hlavě zubu (na růměru D ) a k Fe 0, 9 je činitel lnění ţeleza. Obě tyto hodnoty byly zvoleny na základě dooručení vedoucího ráce. Tomu odovídá šířka dráţky bd td z 47,8 8, 9, 7 mm Nejblíţe normalizovaná šířka dráţky určená z tab. ro dráţku M ([4] str. 66, tab. D 4.d) b d 9, 5mm Skutečná šířka zubu na růměru D (.) z td bd 47,8 9,5 8, mm (.) 7

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 Jak uţ bylo řečeno výše, jedná se o závitové vinutí ( n 6 ), tomu odovídá ro naětí 0,5 kv následující usořádání vodičů a izolace v dráţce: d Položka Šířka Hloubka Vyloţení dráţky jen do 6, kv - jen do 6, kv - Izolace roti ţelezu t i, 6, 4 t i 4,,4 Tmelení 0, 0, 4 0, 0,4 Staţení vodičů 0,5 0, 4 0,5 0,6 Izolace závitů 0,48 0,96 n d 0,48 6 0,48 5,76 Izolace vodičů (oboustranná) j 0,5 0,5 0,5 n d i 0,5 6 6 0,5 8 Mezivrstva - - m v 6 6 izolace 8,6 4,6 Holý vodič j b n d i h 6 6,8 00,8 Vůle na šířku 0, aţ 0,6 0,4 - - Vloţka na dno - - Vloţka od klín - - 0,5 0.5 Vůle na hloubku - - 0,4 aţ,54 Rozměr dráţky bez klínu b d 9,5 h 48 Klín + můstek - - h 0 + h + 9 0 Konečný rozměr drážky b d 9,5 h d 58 Tab.. Usořádání vodičů a izolace v drážce Izolace roti ţelezu t [mm] Naětí Mezivrstva ty ty [kv] obyčejná leší m v [mm] Samicatherm Relanex 0,4 aţ,5 0,45 - - -,0,8,6,4,4 6,,0,7,4,8 4 0,5,5,,,8 6,8 4,5 4, 4,0,8 6 5,7 4,6 4,4 4,0 7 8,0 5,5 5,0 5,0 7 4,0 6,5 Tab.. Tloušťka izolace roti železu (zvýrazněna zvolená izolace) [] Hloubku dráţky bez klínu ( h ) volím dle dooručení ČSN, aby její velikost byla zakončena číslicí 0 nebo nebo 5 a nebo 8. Nař. h 90 ( nebo9,95,98,00 ). Ze součtu celkové výšky všech vodičů v dráţce a izolací a nejbliţší vyšší velikosti h obdrţím vůli na hloubku. Ta se vylní vloţkou od dráţkovým klínem. [] 8

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 Předběţný růřez vodiče S I 749 Cu 8, 7 a Cu 4,75 kdyţ jsem ředběţnou roudovou hustotu ve vodiči určil z emirického vztahu Cu K 55, 75 A mm b v mm (.4) (.5) kde K je součinitel závislý na naětí (dle Tab..) a b v je šířka holého vodiče v dráţce, která byla určena z rozměrů dráţky a izolací a z normalizovaných rozměrů holých vodičů (viz Příloha č. ). U [kv] 0,4,0 6, 0,5 K 50 0 90 55 Tab.. Součinitel ro určení roudové hustoty ve vodiči [] Výška holého vodiče ři jeho šířce mm, jak vychází z bilance dráţky na šířku S Cu 8,7 hv 6, 66 mm b v (.6) Protoţe ři takto vysokém vodiči by byly neúnosně velké řídavné ztráty vlivem skinefektu, je třeba rozdělit ůvodní vodič na větší očet aralelních vodičů menších rozměrů. Vodiče volím dle normalizovaných rozměrů (viz Příloha č. ) a jim odovídajícímu skutečnému růřezu, který resektuje zaoblení hran i nerovnost ovrchu. [] Původní vodič je rozdělen na výšku na 6 vodičů ( i 6 ) o rozměrech holého / izolovaného vodiče: (,8 /,5,) mm, kdyţ skutečný růřez jednoho vodiče je dle ČSN (viz Příloha č. ): S 0, mm. Výsledný růřez vodičů tvořícího jeden závit S Cu j i S 6 0, 8, Skutečná roudová hustota mm (.7) I 749 A mm Cu, 79 a SCu 4 8, (.8) Nákres statorové dráţky je uveden v Příloze č.. 9

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05..4 Určení čelní části statorového vinutí Vzhledem k dooručení vedoucího ráce vyuţívám ři určení čelní části statorového vinutí ostu výočtu ro vinutí válcové. U řešeného stroje se však ouţije vinutí kuţelové, které je ro turboalternátory tyické. Důvodem ouţití výočtu ro válcové vinutí je vyšší náročnost výočtu kuţelového vinutí. Vzhledem k tomu, ţe délka čela válcového a kuţelového vinutí je řibliţně stejná, nedoouštím se tímto zjednodušením velké chyby. Při výočtu délky čela vycházím z Obr... Obr.. Válcové vinutí [] Výběh cívky z dráţky v je závislý na naětí stroje dle následující tab.: U [kv] méně neţ 0,6 6 0 5 v [mm] 0 5 5 45 50 65 80 0 Tab..4 Výběh cívky z drážky v závislosti na naětí [] Volím ro U 0, 5kV výběh cívky z dráţky v 0, 08m. Vnitřní oloměr oka r je závislý ředevším na rozměrech vodiče, dále na velikosti cívek, naětí, oţadavku na chlazení čel a ohybuje se v rozmezí Volím vnitřní oloměr oka r 0mm. r ( 50) mm. Výška čela h č 7 h m 48 6 mm (.9) 0

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 kde h je hloubka dráţky od jejího dna o klín a m je tloušťka mezivrstvy (viz Obr..). Střední oloměr oka hč R r 7 0 45,5 mm Vzdálenost mezi čely c se volí nař. v závislosti na velikosti naětí dle vztahu: U kv 0,5 c 4 4 9mm Úhel sklonu čel válcového vinutí sin č č bč c 9,5 9 0,596 t 47,8 d 0 arcsin 0,596 7 (.40) (.4) (.4) (.4) kdyţ šířku čela b č volím stejnou jako šířku dráţky b d. Délka šroubovice tvořící část čela t x cos č 0,844 cos7 0 748mm Délka oka R 45,5 o 7mm Délka čela l č ( v x o) (0,08 0,748 0,07), 798 m Délka vodiče lv L lč,807,798 4, 605 m Vyloţení čel v odélném směru: Délka oka e hč r 7 0 8 mm Průmět x do osového směru t y tg č 0,8 44 tg 7 0 Celkové vyloţení a v y e 0,08 0,45 0,08 6mm 450 mm (.44) (.45) (.46) (.47) (.48) (.49) (.50)

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05..5 Odor a roztylová reaktance statorového vinutí Odor jedné fáze: Elektrický odor ro stejnosměrný roud (tedy bez uvaţování skinefektu) lv N s 4,605 5 R / 0 Cu,4 0 a S 56 4 8, Cu (.5) kde Cu je měrný elektrický odor měděného vodiče ři telotě 0 ºC. Vliv skinefektu: Náhradní výška vodiče h j b f b d Cu 0 7,8 50 0 9,5 56 7 0, kde j je očet vodičů, na kolik se rozdělil ůvodní vodič na šířku. Činitel zvýšení elektrického odoru (.5) k Cu g 0, 4 6 0, 4 0, 9 9 Celkový očet vodičů v dráţce nad sebou g i n d 6 6 6 0,7 (.5) (.54) kde i je očet vodičů, na kolik se rozdělil ůvodní vodič na výšku. Odor ři střídavém roudu ři 0 ºC R Cu / 0 ( k ) R / 0 ( 0,7 ),4 0 4,5 0 Odor ři střídavém roudu ři 75 ºC R / 75, R/ 0, 4,5 0 5,49 0 Procentní hodnota úbytku naětí na ohmickém odoru u R R U / 75 I f 5,490 749 00 00 0,5% 606 (.55) (.56) (.57) Roztylová reaktance statorového vinutí: Velikost roztylové reaktance je dána magnetickou vodivostí dráţky induktu, vodivostí čel vinutí a vodivostí mezi sousedními zuby řes vzduchovou mezeru. Tyto vodivosti jsou zahrnuty uvnitř hranaté závorky rovnice.58. Co se týče vzorce ro výočet roztylové reaktance statorového vinutí, tak h je vzdálenost krajních vláken vodičů v dráţce a h je vzdálenost horního krajního vodiče od kraje dráţky (viz Obr..). Hodnota b d je šířka dráţky a je rovna b.

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 X 4 f q N s l e h b d h l bd l č e t q 0,87 0,66 l č z ln bd 0 7 4 50 5, 47 0 5,8 7,,798,44 8, 00,87 0,66 0,8 ln 0 9,5 9,5,47,798 9,5 0, 78 (.58) 7 Obr.. Schematický nákres statorové drážky [] Procentní hodnota úbytku naětí na roztylové reaktanci u X U f I 0,78 749 00 00,6% 606 (.59)

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 Procentní hodnota roztylové reaktance x u,6% (.60).4 Návrh magnetického obvodu Magnetickým obvodem se nazývá ta část elektrického stroje, kudy se uzavírá ţádoucí magnetický tok stroje. Ten je tvořen ţelezem a vzduchovou mezerou. Ţelezo zajišťuje dobrou magnetickou vodivost a výrazně řisívá k velikosti magnetického toku. Vzduchová mezera by měla být volena co moţná nejmenší, rotoţe ředstavuje velký magnetický odor, který velmi ovlivňuje velikost budícího roudu otřebného k vybuzení říslušného magnetického toku. Zároveň vzduchová mezera nesmí být říliš malá z důvodu řesnosti uloţení a tuhosti rotoru a nárůstu ulsací dráţkové harmonické. Při návrhu vycházím z velikosti magnetického toku a vlastností ouţitých materiálů. Pro zjednodušení výočtu magnetického obvodu je uvaţováno, ţe magnetický tok rochází ouze širokým zubem rotoru. Ve skutečnosti tomu tak není a část toku rochází i úzkými zuby. Resektování této skutečnosti však řináší řadu komlikací ve výočtu magnetického obvodu, které řesahují rámec této ráce. V raxi se tato roblematika řeší nař. omocí metody konečných rvků..4. Určení magnetického toku Velikost magnetického toku určím z rovnice ro indukované naětí a rovedu kontrolu odle rozměrů stroje a velikosti magnetické indukce ve vzduchové mezeře (ředokládám její řibliţně sinusový růběh). Magnetický tok Kontrola U f 4,44 f N s kv 606,97Wb 4,44505 0,98 t le B,44,47 0,9, 97Wb Hodnoty velmi dobře souhlasí, očítám nadále s hodnotou:,97 Wb. (.6) (.6) Při určení magnetické indukce v jednotlivých částech magnetického obvodu se musí očítat s celkovým magnetickým tokem, tedy součtem hlavního a roztylového magnetického toku, který se v rvním návrhu odhadne. 4

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 Celkový magnetický tok ( ) (.6) kde je ředokládaná hodnota roztylového magnetického toku ve vzduchové mezeře (volím 0, 08 )..4. Velikost vzduchové mezery Při volbě velikosti vzduchové mezery vycházím z oţadované rocentní hodnoty nesycené synchronní reaktance. Velikost vzduchové mezery výrazně ovlivňuje hodnotu nesycené synchronní reaktance. Velikost vzduchové mezery At k B 6 0 x x d 6 8657,44 0 47 0,5 mm 0,9 0,6 (.64) kde k ( 450) závisí na velikosti Carterova činitele a jiných arametrech (volím k 47 ) a x d je rocentní hodnota nesycené synchronní reaktance, není-li zadaná, volí se odle očtu ólů (ro je x 00 0, volím x 0 ). d d.4. Magnetické naětí reakce kotvy Amlituda základní harmonické reakce kotvy Fa At kv 8657,44 0,98 4896 A C,05 (.65) kde C je deformační činitel růběhu základní harmonické magnetické indukce ve vzduchové mezeře, který jsem zvolil C, 05..4.4 Dimenzování magnetického obvodu Výška jha statoru,97 h 0, m js B k l, 0,9,47 5 js Fe e (.66) kde B js je magnetická indukce v jhu statoru, kterou jsem zvolil Vnější růměr statorových lechů B js, T. De h js hd D 0,5 0,58 0,9, 9 m Vnější růměr rotoru D r D 0,9 0,005 0, 85 m (.67) (.68) 5

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 Hloubka rvní rotorové dráţky vedle širokého zubu (odhad) h r 0, 5 m Hloubka ostatních rotorových dráţek (odhad) Výška ólu h r 0, 8 m h hr 0, 5 m (.69) (.70) (.7) Výška jha rotoru h jr Dr hr 0,85 0,5 0, 55 m (.7).4.5 Délky středních siločar částí magnetického obvodu Pól l h hr 0, 5 m (.7) Jho rotoru Dr 0,85 l jr l 0,5 0, 76m Zub statoru lz hd 0, 58 m Jádro induktu D hd h js 0,9 0,58 0,5 l ji, 57 m 4 4 (.74) (.75) (.76).4.6 Charakteristika narázdno Na vodorovnou osu se vynáší magnetické naětí F [A], které je úměrné budícímu roudu. Na svislé ose jsou hodnoty elektrického naětí U [V ]. Na svislou osu se téţ můţe vynést magnetický tok [Wb] nebo magnetická indukce B [T ]. Aby se nemusely vynášet na svislou osu dvě, res. tři stunice, je vhodnější uvádět všechny uvedené veličiny v rocentech, kdy se vystačí s jednou stunicí. K sestrojení charakteristiky narázdno stačí určit charakteristiku vzduchové mezery, kterou je římka rocházející očátkem a která je tečnou k charakteristice narázdno a ak tři body, vţdy ro 00 % naětí a ak ještě nař. ro 5 a 0 % naětí. Při výočtu se vychází ze vztahu F H l, kde H [ A m ] je intenzita magnetického ole odovídající magnetické indukci B [T ] v uvaţované části magnetického obvodu a l [m] je délka střední siločáry říslušného úseku. 6

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 Pro určení magnetického naětí ţelezné části magnetického obvodu musí být k disozici magnetizační charakteristiky všech materiálů, ze kterých je magnetický obvod sestaven. Pro magnetickou indukci B v daném úseku se z odovídající charakteristiky určí velikost intenzity magnetického ole H a kdyţ vynásobím takto získanou intenzitu magnetického ole délkou střední siločáry l, získám velikost magnetického naětí F úseku. Výsledné magnetické naětí je ak dáno součtem magnetických naětí všech úseků magnetického obvodu. Stejným zůsobem se ostuuje ro získání dalších bodů charakteristiky narázdno, kdy se určí magnetické naětí ostuně nař. ro,5 a, násobky jmenovitých magnetických indukcí v jednotlivých částech magnetického obvodu. Magnetické naětí na vzduchové mezeře 6 6 F 0,8 kc B 0 0,8 0,87 0,005 0,9 0 9 50 A (.77) kde k c je hodnota Carterova činitele k c k cd k ck,04 0,84 0,87 (.78) kde k cd je Carterův činitel resektující vliv dráţkování induktu b z 0 9,5 8, 0,69 (.79) ro otevřenou dráţku latí b0 bd b0 9,5 0,5 0,64 z nomogramu (Příloha č. 4) k cd,04 (.80) (.8) a k ck je Carterův činitel resektující vliv radiálních ventilačních kanálů k ck šk i l e 0,5 0 47 0,5 47 0,84 (.8) Při výočtu magnetického naětí v zubu statoru nastává říad, kdy nelze zanedbat skutečnost, ţe ři ouţití obdélníkové dráţky se šířka zubu s narůstajícím růměrem zvětšuje a s tím se mění růřez ţeleza, tedy i magnetická indukce. Jelikoţ je magnetizační charakteristika ţeleza nelineární, budu ostuovat následujícím zůsobem. růměru Zjistím šířku zubu z na růměru vrtání statorových lechů D, dále šířku zubu z na 7

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 D D h d (.8) rocházejícím středem hloubky dráţek a šířku zubu z na růměru atní kruţnice zubu D D h d (.84) Obecně lze nasat ro i,, z i t di b d (.85) kde t di je dráţková rozteč t di Di Q Pak zdánlivá magnetická indukce ve zvoleném místě bude B t B (.86) di zi (.87) zi k Fe Zdánlivá magnetická indukce je taková indukce magnetického ole, kdyţ ředokládáme, ţe magnetický tok bude rocházet ouze zubem. Avšak ři hodnotách sycení větších neţ cca.,6 T klesá relativní ermeabilita ţeleza, tím narůstá magnetický odor, a roto část magnetického toku bude rocházet aralelně dráţkou, coţ zůsobí okles skutečné hodnoty magnetické indukce v zubu. S narůstajícím sycením zubu rozdíl mezi zdánlivou a skutečnou hodnoto magnetické indukce v zubu výrazně narůstá. Skutečná magnetická indukce B zi se zjišťuje ze zdánlivé magnetické indukce B zi z nomogramu ro říslušný materiál omocí tzv. koeficientu odlehčení, který je dán oměrem mezi kolmými růřezy dráţky a zubu. k zi S S d z i b d z l e l e k Fe t di l e i z z l e i l k e Fe k Fe i t di z k Fe (.88) Pro takto získané hodnoty magnetických indukcí B z, B z, B z určíme omocí magnetizační charakteristiky materiálu zubů velikosti intenzity magnetického ole H z, H z, H z. Za ředokladu arabolického růběhu intenzity magnetického ole odél výšky zubu stanovím střední hodnotu intenzity magnetického ole odle Simsonova ravidla. H zstř H z 4 H z H z Pak velikost magnetického naětí zubu bude F z H zstř l z 6 (.89) (.90) Vyočtené hodnoty magnetizační charakteristiky zubové vrstvy statoru získané omocí výše uvedeného ostuu, magnetizační charakteristiky statorových lechů (Příloha č. 5) a 8

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 nomogramu k určení skutečné magnetické indukce v zubech statoru (Příloha č. 6) jsou uvedeny v Tab..5. i D i [mm] t di [mm] z i [mm] k zi [-] B zi [T] B zi [T] H zi [A m - ] H zstř [A m - ] F z [A] 9 47,8 8, 0,84,69,68 550 07 56,08 6,58 0,67,5,5 000 9 78 9 64,5 44,85 0,56,4,4 00 Tab..5 Magnetizační charakteristika zubové vrstvy statoru V širokém zubu rotoru (ólu) nastává obdobná situace jako v zubech statoru. Oět budu očítat šířku zubu na třech růměrech. Šířku zubu z na vnějším růměru rotoru Dr D r (.9) šířku zubu z na růměru D r Dr h (.9) rocházejícím středem výšky širokého zubu a šířku zubu z na růměru atní kruţnice širokého zubu D r D h r (.9) kde h je výška širokého zubu rotoru, která je totoţná s hloubkou rvní rotorové dráţky vedle širokého zubu h r. Obecně lze nasat ro i,, ři úvaze, ţe široký zub bude okrývat / obvodu rotoru z i D 6 ri ak magnetická indukce ve zvoleném místě bude kde B i ( ) z i L r L r L 0,04,807 0,04, 847 m (.94) (.95) (.96) je délka rotoru roti délce lechového svazku zvětšená s ohledem na zkušenosti z jiţ rovedených strojů. Pro takto získané hodnoty magnetických indukcí B, B, B určím omocí magnetizační charakteristiky materiálu rotoru velikosti intenzit magnetického ole H, H, H. Za ředokladu arabolického růběhu intenzity magnetického ole odél výšky 9

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 širokého zubu stanovím střední hodnotu intenzity magnetického ole odle Simsonova ravidla. H stř H 4 H H 6 Pak velikost magnetického naětí širokého zubu bude F H stř l (.97) (.98) Vyočtené hodnoty magnetizační charakteristiky širokého zubu rotoru (ólu) získané omocí výše uvedeného ostuu a magnetizační charakteristiky konstrukční oceli (Příloha č. 7) jsou uvedeny v Tab..6. i D ri [mm] z i [mm] B i [T] H i [A m - ] H stř [A m - ] F [A] 85 446,68 6500 70 68,0 50000 08 86 55 89,59 50000 Tab..6 Magnetizační charakteristika širokého zubu (ólu) Magnetická indukce v jhu rotoru B ( ) ( ) ( 0,08),97, S h L 0,55,847 6 jr jr jr r T (.99) Celkový výočet charakteristiky narázdno je roveden v Tab..7. Jsou zde ouţity vyočtené hodnoty uvedené výše dolněné o hodnoty ro U k i U n kde k, 5 a k,. Charakteristika narázdno je graficky znázorněna na Obr... (.00) 0

Široký zub (ól) Zuby Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 B [T], H [A m - ], F [A] Φ k Φ k Φ B H F B H F B H F Vzd. mezera δ = 0,005 m 0,9 950 460 589 Hlava k z = 0,84 B z,69,94, 550 8000 B z,68,9, 44000 Střed k z = 0,67 B z,5,76,99 000 8750 B z,5,75,95 500 Pata k z = 0,56 B z,4,64,86 00 4400 B z,4,64,84 4000 Stř. hodnota l z = 0,58 m 9 78 9567 5 4000 79 Jádro induktu l ji =,57 m, 60 956,5 600 47,69 6000 90 ΣF = F δ + F z + F ji 0864 699 88 Jho rotoru l jr = 0,76 m,6 0 58,56 444,77 00 67 Hlava,68 6500,9 8960,8 0000 Střed,0 50000, 80000,64 55000 Pata,59 50000,98 84000,7 960000 Stř. hodnota l = 0,5 m 08 86 887 494 56000 84450 ΣF = F + F jr 8744 50545 8787 ΣF = F δ + F z + F ji + F + F jr 9608 76944 600 Tab..7 Magnetizační charakteristika celého magnetického obvodu U~B~Ф [%] δ 0 Ch0 5 00 9 608 76 944 6 00 F [A] Obr.. Charakteristika narázdno

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05.5 Návrh budícího vinutí Budící vinutí musí vytvořit tak velké magnetické naětí F b, aby o demagnetizačním účinku magnetického naětí reakce kotvy F a byl výsledným magnetickým naětím F V vybuzen magnetický tok, který indukuje vnitřní elektrické naětí naětí na činném odoru naětí U f. u R a na roztylové reaktanci U i a o odečtení úbytků u se získalo oţadované svorkové Na Obr..4 je uveden grafický ostu určení budícího magnetického naětí F b, kde je resektován ouze úbytek naětí na roztylové reaktanci u, jelikoţ úbytek naětí na činném odoru u R je zanedbatelný. Úbytek na roztylové reaktanci fázovému naětí U f u se řičte k jmenovitému, jak je atrné z uvedeného obr. Tím se získá vnitřní indukované naětí U i ve vinutí induktu. Z důvodů ohodlnějšího kreslení je fázorový diagram magnetických naětí ootočen o 90º dorava. Ve směru roudu I se řičte k fázoru geometrickým součtem se získá výsledné budící magnetické naětí F b. F V fázor F a, tímto U~B~Ф [%] δ Ch0 u σ U i U f F b F a F V F [A] φ F V F b I Obr..4 Grafické určení budícího magnetického naětí

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 Grafickým ostuem jsem určil velikost budícího magnetického naětí ro jmenovité zatíţení a účiník F b 96 000 A (.0) Průřez budícího vinutí se určuje z úbytku naětí na činném odoru budících cívek kde l F 7,70 96 000 S mm bs b Cub Cu 76,05 (.0) U b 56 50 U b 50 V je zvolené budící naětí, lbs ( Lr lčr) (,847,004 ) 7, 70 m (.0) je odhadnutá délka budící cívky, kde lčr 0,7 t 0,7,44, 004 m (.04) je odhadnutá délka čela budícího vinutí. Průřez vodiče budící cívky volím nejbliţší vyšší z obvykle ouţívaných růřezů vodičů. Větší růřez vodiče volím roto, aby vznikla určitá rezerva otřebného budícího naětí. Zde má vodič rozměry 6,4 7 mm a jemu odovídající růřez je Volím roudovou hustotu budícího vinutí S Cub 5, mm. Cub 5 A mm (.05) Budící roud I S 5 5, 75, A (.06) b Cub Cub 6 Počet závitů budící cívky Fb 96 000 N b 8 (.07) I 75,6 b Při zvoleném dělení rotorových dráţek /4 obvodu rotoru, bude na jeden ól vycházet dráţek bez uvaţování širokého zubu. Pokud široký zub má okrývat / ólu, ak na něj vychází 4/4 (/6) obvodu rotoru (/ obvodu rotoru na dva široké zuby) a na jeden ól ak bude 8 navinutých dráţek ( 4 8 ). V návrhu rotoru jsem ředokládal rvní dráţku vedle širokého zubu méně hlubokou neţ ostatní dráţky. Tomu také odovídá rozloţení závitů budící cívky. Do rvní dráţky vedle širokého zubu se vloţí 6 závitů a do zbylých třech dráţek závitů. Počty závitů v jednotlivých dráţkách jsem zvolil tak, aby odovídaly vyočtenému celkovému očtu závitů budící cívky ( 6 8 ). V Tab..8 jsou uvedeny výsledné rozměry rotorových dráţek, usořádání vodičů budícího vinutí v rotorových dráţkách a jejich izolace.

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 Položka Šířka Hloubka. drážka ostatní drážky Izolace roti ţelezu 0,76,5 0,76 0,76 Izolace mezi závity - - 0,6 5 5,4 0,6 7,56 izolace,5 6,6 8, Holý vodič 7 6,4 6 0,4 6,4 40,8 Vloţka na dno - - 4 4 Vloţka od klín - - 9 9 Vůle 0,4 0,48 0,44 0,8 Hloubka dráţky bez klínu - - 6,5 Klín + můstek - -,5,5 Konečný rozměr drážky b r 9 h r 44,5 h r 85 Tab..8 Usořádání vodičů a izolace v rotorových drážkách Elektrický odor budícího vinutí ři 0 ºC lbs N b 7,70 8 Rb / 0 Cu 0, 0959 (.08) S 56 5, Cub Elektrický odor budícího vinutí ři 75 ºC R, R, 0,0959 0, 7 (.09) b / 75 b / 0.6 Kroužky a kartáče Pro řenos budícího roudu na rotor ouţiji elektrografitové kartáče, ro které latí následující údaje: Přechodové naětí u ř, V Maximální roudové zatíţení Měrný tlak k 0 A cm k 8 kpa Součinitel tření 0, 5 Celkový růřez kartáčů jedné olarity S k I b k 75,6 0 7,56 cm (.0) Podle dooručených rozměrů kartáčů (viz Tab..9) volím rozměr bk lk 50 40 mm a tomu odovídá růřez S kl bk lk 50 40 000 mm 0 cm (.) 4

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 kde b k je rozměr v osovém směru stroje a určuje šířku krouţku a l k je rozměr v obvodovém směru (viz Obr..5). [mm] Tečný směr lk Rozměr ve směru osy b k 0,5 6 0 5 40 50 64 80 4 4 5 5 5 5 5 5,5 40 5 6, 6, 6, 6, 6, 40 0 6, 8 8 8 8 8 50 5 0 0 0 0,5,5,5 50 6 6 6 0 0 0 5 5 40 Tab..9 Dooručené rozměry kartáčů [] Obr..5 Schematické znázornění rozměrů kartáče [] Počet kartáčů jedné olarity na obvodu krouţku S k 7,56 i k 5,88 (.) S 0 k Volím očet kartáčů i 6 a očet kartáčů obou olarit je tedy i. k Je třeba zkontrolovat, zda se tento očet kartáčů (včetně ouzdra kartáčových drţáků) na obvod krouţků vejde. Průměr hřídele v místě řívodu mechanické energie (volný konec hřídele) PkW 40000 d H 0,5 0,5 0, m n 000 (.) Vnější růměr krouţků budu ředokládat Dk,d H, 0, 0, 46 m (.4) k 5

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 Rozteč kartáčů Dk 0,46 tk 0, 09 m i k (.5) Rozteč kartáčů t k je výrazně větší neţ je délka kartáče l k, z toho lze usoudit, ţe o této stránce je návrh vyhovující. Obvodová rychlost krouţků v k Dk n 60 max 0,46 600 78,4 m s 60 (.6).7 Ztráty a účinnost.7. Ztráty Jouleovy Ve vinutí statoru P Cu m R I 5,49 0 749 4 464 W / 75 (.7) V budícím vinutí P R I 0,7 75,6 6 W (.8) Cub b / 75 b 698 V železe V jádře statoru: Ztrátové číslo lechů Fe,8 W kg Hmotnost jádra statoru m Fej 4 4 D D l k e Ztráty v jádře statoru e Fe,9,9,47 0,9 7800 94kg Fe (.9) P Fej,8 Fe B js f 50, m Fej, 50,8,8, 94 6067W (.0) 50 6

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 V zubech statoru: Hmotnost zubů statoru m Fez Q z h d l e k Fe Fe 60 0,0658 0,58,47 0,9 7800 5840kg (.) kde z je střední šířka zubu (viz výočet zubové vrstvy charakteristiky narázdno) Ztráty v zubech statoru P Fez Fe B z f 50, m Fez, 50,8,5 5840 495W (.) 50 kde B z je magnetická indukce ve středu zubu (viz výočet zubové vrstvy charakteristiky narázdno) Povrchové [] P Dr L r,5 Q n k0 t d 000 B 0000 k c 60000 0,85,847, 0000,5 0,0478 0,05 000 0,9 0,87 45 W (.) kde k 0, a 0, 05 jsou činitelé ovrchových ztrát ro masivní ocel (viz Příloha č. 8) a k c je Carterův činitel Mechanické [] kde,5,5 Pm Am v Dr lr 0,7,8 0,85,847 08504W (.4) Dr n 0,85 000 v,8m s 60 60 je obvodová rychlost rotoru a A 0, 7 je koeficient mechanických ztrát Přídavné Odhadují se jako 0, % ze zdánlivého výkonu. m (.5) P řř 0,00 S 0,00500 6 50000W (.6) 7

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 Celkové P PCu P Cub P Fej P Fez P P m P řř 4 464 6698 6067 495 45 08504 50000 858687W (.7).7. Účinnost Účinnost ři ustáleném stavu ro jmenovitý výkon a účiník 6 P 400 00 00 97,9% 6 (.8) P P 400 858687 8

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 Teelný výočet Cílem teelného výočtu je určení střední, říadně i maximální otelení vybraných částí elektrického stroje. Nejvíce nás zajímají ty části, které jsou v bezrostředním styku s izolací. Toto otelení nesmí řesáhnout hodnotu, která odovídá teelné odolnosti ouţité izolace. V říadě jejího řekročení je třeba uravit ventilační systém nebo sníţit ztráty v říslušné části, to ovšem vede k menšímu vyuţití stroje a znamená to nař. větší rozměry, hmotnost a zravidla i vyšší cenu. Izolační materiály jsou odle teelné odolnosti zařazeny do jednotlivých tříd, jak je uvedeno v následující tabulce. Tab.. Teelné třídy izolačních materiálů [] Otelení je rozdíl teloty dané části stroje a teloty okolí. ČSN ředeisuje telotu okolí 40 C. Při výočtech otelení určité části stroje se udává telota okolí 0C. 0 Získaná hodnota otelení se orovnává s dooručenou hodnotou ouţité izolace. 0. Určení náhradní teelné sítě Teelný výočet elektrického stroje vychází z údajů a konstant, které v mnohých říadech nelze řesně stanovit, rotoţe jsou závislé nejen na vlastnostech ouţitých materiálů, ale i na technologickém zracování a konstrukčním usořádání. Jedná se nař. o součinitele teelné vodivosti, součinitele řestuu tela, velikost a lokalizace místa vzniku uvaţovaných ztrát. 9

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 Šíření tela robíhá trojrozměrně, jelikoţ v tomto rozloţení nelze řešit teelné toky analyticky, řevádí se trojrozměrné šíření tela na jednorozměrné, zavedením tzv. náhradní teelné sítě. Při řešení náhradní teelné sítě se vyuţívá analogie s elektrickými obvody, tzn., ţe se ředokládá ekvivalentní chování teelného a elektrického obvodu, a roto lze s výhodou na teelné obvody alikovat obdobné zákony jako na obvody elektrické (ředevším Ohmův zákon a Kirchhoffovy zákony).. Výočet otelení induktu Z celého induktu se vymezí co nejmenší úsek tak, aby u všech ostatních byly stejné teelné a chladící odmínky. Bude se jednat o úsek říslušný jedné dráţkové rozteči a olovině rozteče radiálního chladícího kanálu, jak je znázorněno na Obr... Při tomto výběru se musí určit ztráty, které ve vymezeném úseku vznikají. [] V tomto výočtu se neuvaţuje teelné sojení mezi dráţkovou částí vinutí a čely vinutí. Výočet otelení čel vinutí se rovádí samostatně, a okud je větší rozdíl telot mezi dráţkovou částí vinutí a čely, je třeba volit jiný ostu, kdy se uvaţuje mimo jiné i šíření tela ve vodičích mezi dráţkovou částí a čely. [] Postu výočtu otelení induktu je řevzat z []. Obr.. Vymezený úsek induktu stroje [] 40

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05.. Určení ztrát v uvažovaném úseku Ztráty v dráţkové části vinutí ld,807 PCud PCu 4 464 75 868 W (.) l 4,605 v kde l d L, 807 m je délka vodiče v dráţkové části induktu Ztráty v čelech vinutí lč,798 PCuč PCu 4 464 48 596 W (.) l 4,605 Ztráty ve vymezeném úseku: Vinutí Zub v PCud 75 868 PCud, 45 W Q i 60 47 (.) c PFez 49 5 PFez 8, 76 W Q i 60 47 (.4) Jádro induktu kde c PFej 6067 PFej 8, 488W Q i 60 47 (.5) c Q c je očet čel, který je stejný jako očet dráţek induktu Q a i je očet aketů.. Výočet teelných odorů Velikosti jednotlivých teelných odorů jsou vyočteny v souladu s Obr... Z vinutí do ventilačního kanálu R O iz iz iz šk vzd vzd O iz šk O z iz šk 4,08 0 0, 07,4 0 0 0 0,000 0,06 07,4 0 0 0 6007,40 9,845 K W 00 (.6) 4

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 4 Z vinutí do vzduchové mezery t d t d vzd vzd t d iz iz š š š š š š R 0 60 0 9,5 0,06 0,000 0 60 0 9,5 0, 0 4,08 5, 0 60 0 9,5 60 W K (.7) Z vinutí do zubu iz Fel z iz vzd vzd iz iz iz š O š š O š O R 0 50 0 07,4 0,06 0,000 0 50 0 07,4 0, 0 4,08,75 0 50 0 07,4 40 0 6,58 W K (.8) Ze zubu do vzduchové mezery 4 z z Fel z š š š š v R 9,646 0 50 0 8, 60 0 50 0,44 40 0 58 W K (.9)

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 4 Ze zubu do ventilačního kanálu z z z z z Feq v š v š š R 5,5 0 58 0 6,58 60 0 58 0 6,58 0 50 W K (.0) Z lechů zubu do lechů jádra 4 6 j Fel j z Fel z š š v š š v R,44 0 50 0 7,54 40 0 5 0 50 0 40,7 40 0 58 W K (.) Z lechů jádra do ventilačního kanálu j j j j j Feq v š v š š R 7 0,6 0 5 0 8,7 00 0 5 0 8,7 0 50 W K (.) Z lechů jádra na vnější obvod statoru 4 4 8 j j Fel j š š š š v R 6,88 0 50 0 0, 70 0 50 0 9,9 40 0 5 W K (.)

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 kde vzd 0, 000 m je součet vzduchových vrstviček mezi vrstvami izolace závislá na celkové tloušťce izolace a technologickém ostuu, iz 0,W m K je měrná teelná vodivost izolace, vzd 0,06 W m K je měrná teelná vodivost vzduchu, Fel 40W m K je měrná teelná vodivost lechového svazku v radiálním směru stroje, Feq W m K je měrná teelná vodivost lechového svazku v axiálním směru stroje,,,, [ W m z j 4 K ] jsou součinitelé řestuu tela v daném místě (viz Obr..), které závisí hlavně na rychlosti roudění vzduchu, zvoleny dle dooručení vedoucího ráce, š 50 mm je šířka aketu, š t 60 mm je rozteč radiálních ventilačních kanálů.. Určení okolních telot vymezeného úseku V uvaţovaném usořádání ventilačního obvodu stroje vstuuje do statoru vzduch ze vzduchové mezery, který je ohřátý od ztrát vzniklých v rotoru stroje. Při růchodu vzduchu radiálním ventilačním kanálem bude jeho telota v důsledku řibíraných ztrát z induktu narůstat (Obr..). Mnoţství vzduchu vstuujícího do statoru Q P P 0,04 0 c 50 0 P [ W ] 0,04 P [ kw] [ m s ; kw] (.4) To znamená, ţe na odvod kw ztrát musí strojem rojít 0,04 m vzduchu za s. Q 0,04P[ kw ] 0,04789, 56m s (.5) 44

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 kde P součet všech ztrát, které se budou chladícím médiem odvádět (celkové ztráty kromě ztrát v loţiskách, jejichţ velikost je odhadnuta na jednu třetinu ztrát mechanických, dle dooručení vedoucího ráce, ztráty v loţiskách se budou odvádět vlastním chladícím okruhem) hustota chladícího média [kg m - ] c hmotnostní měrné telo chladícího média [W s kg - K - ] otelení chladícího média, které rošlo strojem, zvoleno 0K c v objemové měrné telo, ro vzduch cv c 50W s m K Ztráty v rotoru Prot PCub P 6 698 45 65 8 W (.6) Otelení chladiva ve vzduchové mezeře Prot 65 8 0 0 0 4, K (.7) c Q 50,56 v Otelení chladiva v chladícím kanálu v okolí zubu PFez PCud 49 5 75 868 0 0 4, 5,79 K (.8) c Q 50,56 v Otelení chladiva v chladícím kanálu v okolí jádra induktu 0 0 P Fez P c v Cud Q P 495 75868 6067 4, 9,4K 50,56 Otelení chladiva vystuujícího z chladícího kanálu 04 0 P Fez P c v Cud Q P Fej Fej (.9) 49 5 75 868 60 67 4,,4 K (.0) 50,56 kde 0 je telota chladiva vstuujícího do stroje, očítám otelení roto 0 0C 45

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 Obr.. Průběh teloty chladiva v radiálním chladícím kanálu []..4 Sestavení a řešení náhradního teelného obvodu vymezeného úseku Na Obr.. je nakresleno schéma náhradního teelného obvodu uvaţovaného úseku, které odovídá Obr... Cílem je určit otelení uzlů Cud, z a j, která ředstavují otelení jednotlivých částí vymezeného úseku induktu stroje. Jedná se o otelení vinutí v dráţkové části Cud, otelení zubu statoru z a otelení jha induktu j. Tyto hodnoty ve výočtu ředstavují neznámé roměnné, kdyţ všechny ostatní otřebné hodnoty ro výočet jsou jiţ známé. Obr.. Schéma náhradního teelného obvodu vymezeného úseku [] 46

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 Při řešení náhradního teelného obvodu jsem ouţil metodu uzlových naětí, omocí které jsem sestavil tři navzájem nezávislé rovnice: Cud R 0 Cud R 0 Cud R z P Cud (.) z R 6 Cud z R j z j R R 7 4 0 0 z R 8 5 j R Vyřešením této soustavy rovnic jsem určil: Cud 6, 7 K z, 8 K j 8, K 04 0 z j R P Fej 6 P Fez (.) (.)..5 Otelení čel vinutí Při výočtu vycházím z ředokladu, ţe všechna čela budou mít stejné chladící odmínky, takţe si zvolím jako element jedno čelo o délce l č a vnějším obvodu Ztráty vzniklé v jednom čele kde O č. PCuč 48 596 PCuč 80 W (.4) Q 60 č Q č je očet čel, který bývá zravidla stejný jako očet dráţek induktu Q Teelný odor mezi vodičem čel a okolím R č iz vzd O l O l k O iz č č vzd č č č č l č 4,08 0 0, 5 0,798 0,000 0,06 5 0,798 kde 90 0,5 5 0 č 90W m 0, 077 W K,798 K (.5) je součinitel řestuu tela v okolí čel, zvolen dle dooručení vedoucího ráce, k 0,5 je činitel zakrytí čel závislý na konstrukčním usořádání čel, téţ zvolen dle dooručení vedoucího ráce 47

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 Schéma náhradního teelného obvodu čela vinutí je velmi jednoduché, skládá se ouze z jednoho uzlu a jednoho teelného odoru (Obr..4). ϑ Cuč ΔP Cuč R č Obr..4 Schéma náhradního teelného obvodu čela vinutí [] ϑ 0č ϑ 0 Otelení čela P R 80 0,077 0 6, K (.6) Cuč Cuč č 0č 4 kde 0C je telota okolí čel 0č Jelikoţ není rozdíl otelení mezi dráţkovou částí a čelem vinutí říliš velký, lze určit střední hodnotu otelení vinutí jako váţený růměr obou otelení: Cud ld Cuč lč 6,7,807 6,4,798 SCu 6, K (.7) l l,807,798 Střední telota statorového vinutí d č 40 [ C] 6, 40 0, C (.8) SCu SCu. Výočet otelení budícího vinutí Budící vinutí je chlazeno z ventilačního oddráţkového kanálu, jehoţ rozměry jsou atrné z Obr..5. Ve vodičích budícího vinutí bude vyraţeno 40 otvorů 50 mm, které budou rozmístěné rovnoměrně o aktivní délce vodiče (viz Obr..6). Plocha vyraţených otvorů v jedné dráţce je S0 0 7, m. 48

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 Obr..5 Rozměry ventilačního oddrážkového kanálu budícího vinutí Obr..6 Rozměry vyražených otvorů ve vodičích budícího vinutí.. Výočet teelných odorů Teelné odory jsou očítány na m délky rotoru, olovinu dráţky a olovinu zubu, jelikoţ ředokládám, ţe se telo bude šířit symetricky na obě strany dráţky a o celé délce rotoru stejně. Velikosti jednotlivých teelných odorů jsou vyočteny v souladu s Obr..7. 49

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 Obr..7 Vymezený úsek rotoru stroje Z vinutí do zubu R vzd iz S iz iz vzd S iz l S Fe iz kde 0,76 0 0,000,7 0 0,0498 W 0, 6,5 0 0,06 6,5 0 50 6,5 0 K (.9) iz 0,W m K je měrná teelná vodivost izolace, Fe 50 W m K je měrná teelná vodivost oceli, ze které je rotor vyroben, l, 7mm je vzdálenost od lochy bočního styku vodičů s izolací k omyslnému teelnému uzlu, jehoţ oloha je umístěna v olovině výšky tyče rotorového vinutí, S iz 6,5 0 m je locha bočního styku vodičů s izolací, řes kterou se sdílí telo. 50

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 Ze zubu do vzduchové mezery R l S Fe S r kde 0,75 0 0,97 K W (.0) 50 9,47 0 l 0, 75 mm 60 49,6 0 je vzdálenost od omyslného teelného uzlu k ovrchu rotoru, S 0 9,47 m je střední velikost lochy, kterou rochází teelný tok z omyslného teelného uzlu k ovrchu rotoru, S r 49,60 m je locha, která je součtem oloviny ovrchu zubu a třetiny ovrchu klínu na vnějším ovrchu rotoru, rotoţe ředokládám, ţe teelný tok bude rocházet i částí klínu, 60 W m K je součinitel řestuu tela do vzduchové mezery, zvolen dle dooručení vedoucího ráce. Ze zubu do oddráţkového kanálu kde R l Fe S k 0,5 O k 0,0 0 0,666 K W (.) 50,05 0 l 0, 0 mm 0 0,5 0,9 je vzdálenost od omyslného teelného uzlu ke stěně oddráţkového kanálu, S 0,05 m je locha, řes kterou rochází uvaţovaný teelný tok, k 0 W m K je součinitel řestuu tela ovrchu oddráţkového kanálu do chladícího vzduchu, zvolen dle dooručení vedoucího ráce. 5

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 Z vinutí do vyraţených otvorů kde 0, K W 0 S 4 90, 0 R 098 4 S 4 0, m je locha stěn vyraţených otvorů ve vodičích budícího vinutí, 0 90W m K (.) je součinitel řestuu tela ovrchu vyraţených otvorů do chladícího vzduchu, zvolen dle dooručení vedoucího ráce... Sestavení a řešení náhradního teelného obvodu vymezeného úseku Na Obr..8 je nakresleno schéma náhradního teelného obvodu uvaţovaného úseku, které odovídá Obr..7. Cílem je určit otelení uzlu budícího vinutí. bv, které ředstavuje otelení R P Cudr/m/0,5dr ϑ bv R ϑ 0 R R 4 Obr..8 Schéma náhradního teelného obvodu vymezeného úseku Postuným zjednodušováním náhradního teelného obvodu určím výsledný teelný odor vymezeného úseku: Paralelní kombinace teelných odorů R a R R R R (.) 0,97 0,666 0, 4 K W R R 0,97 0,666 5

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 Součet teelných odorů R a R R R R 0,0498 0,4 0, 6 K W (.4) Paralelní kombinací teelných odorů R a R 4 se jiţ získá výsledný teelný odor vymezeného úseku: R 4 0,6 0,098 R V 0,0588 K W (.5) R Ztráty v dráţkách R R 4 0,6 0,098 Lr,847 PCudr PCub 6 698 9 54W (.6) 0,5 l 0,5 7,70 bs Ztráty na jednu olovinu dráţky a na m délky rotoru PCudr 9 54 PCudr / m / 0,5dr W (.7) n L 6,847 Střední otelení rotorového vinutí dr r P R 0,0588 77, K (.8) bv Cudr / m / 0,5dr V Střední telota rotorového vinutí 40 [ C] 77, 40 7, C (.9) bv bv 5

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 Závěr Cílem této dilomové ráce bylo navrhnout vzduchem chlazený turboalternátor dle zadaných arametrů. Úkolem elektromagnetického návrhu bylo určení hlavních rozměrů a arametrů stroje, návrh vinutí induktu včetně izolačního systému a usořádání vinutí v dráţce, dimenzování magnetického obvodu a sestrojení charakteristiky narázdno, návrh budícího vinutí a určení odorů a reaktancí. V závěru elektromagnetického návrhu jsem vyočítal ztráty, z kterých jsem následně stanovil účinnost generátoru ři jmenovitém zatíţení a účiníku. Účinnost navrţeného stroje je 97,9 %, coţ slňuje ředoklad vysoké účinnosti turboalternátoru. V současné době se ři elektromagnetickém návrhu elektrického stroje vyuţívá výočetní technika, která je vybavena k tomuto účelu vytvořenými rogramy, které vyuţívají, i mimo jiné, data získaná metodou konečných rvků. V této ráci je uveden oněkud zjednodušený ostu elektromagnetického návrhu, který má základ ve výočtech ouţívaných v dobách, kdy se výočetní technika ro tyto účely ještě nevyuţívala. Vzhledem k zjednodušenému ostuu elektromagnetického návrhu nelze hodnoty z něho vystuující uvaţovat jako odklad ro výrobu takového stroje, ale jako nástroj ro ochoení souvislostí mezi fyzikálními rinciy a konstrukcí stroje. Dalším úkolem této ráce bylo rovést orientační výočet otelení induktu a budícího vinutí metodou náhradních teelných obvodů. Pro určení velikosti teelných odorů bylo zaotřebí znát součinitele řestuu tela v jednotlivých místech stroje. Součinitele řestuu tela byly v této ráci na dooručení vedoucího ráce odhadnuty, jelikoţ k jejich řesnějšímu určení by bylo zaotřebí řešit ventilační systém stroje, coţ řekračuje rámec této ráce. Stanovení součinitelů řestuu tela ředstavuje náročný úkol, jehoţ ostu je v raxi z velké části zaloţen na zkušenostech z mnoha jiţ vyrobených strojů. Metodou náhradních teelných obvodů jsem vyočítal otelení vinutí induktu SCu 6, K, otelení zubu induktu, K, otelení jádra induktu j 8, K a otelení budícího vinutí z 8 bv 77, K. Z vyočtených hodnot otelení induktu lze usoudit, ţe otelení induktu je relativně nízké. Jestliţe se ři návrhu stroje uvaţuje ouţití izolace třídy B a je oţadavek na maximální vyuţití stroje, měla by se rovést další iterace návrhu stroje, aby se více vyuţil otenciál teelné odolnosti izolace. V současné době se i ři teelném výočtu stroje vyuţívá výočetní technika, která je vybavena rogramy, vyuţívající data získaná metodou konečných rvků. Jelikoţ hodnoty 54

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 otelení vystuující z mnou rovedeného teelného výočtu jsou ouze orientační, coţ je dáno jednak ouţitou metodou a také skutečností, ţe součinitelé řestuu tela byly z výše osaného důvodu odhadnuty, není vhodné tyto hodnoty otelení ovaţovat za důvod k rovedení další iterace návrhu stroje. Lze tedy konstatovat, ţe hlavním účelem mnou rovedeného teelného výočtu bylo oukázat, jaké veličiny mají zásadní vliv na výsledné otelení navrhovaného turboalternátoru. Posledním úkolem mé ráce bylo schematicky nakreslit konstrukční usořádání stroje v říčném a odélném řezu. Informace otřebné ro slnění osledního bodu zadání jsem čeral z výkresů konstrukčních usořádání turboalternátorů odobných výkonů uvedených v [] a [5]. 55

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 Seznam literatury a informačních zdrojů [] ČERVENÝ, Josef. Postu ři elektromagnetickém návrhu synchronního stroje. Přednáškové texty ro ZČU v Plzni. Plzeň, 00, Záadočeská univerzita v Plzni. Fakulta elektrotechnická. 9 s. [] ČERVENÝ, Josef. Stavba elektrických strojů. Přednáškové texty ro ZČU v Plzni. Plzeň, 0, Záadočeská univerzita v Plzni. Fakulta elektrotechnická. 48 s. [] CIGÁNEK, Ladislav. Stavba elektrických strojů. Praha: SNTL, 958, 76 s. [4] KOPYLOV, Igor Petrovič, a kol. Stavba elektrických strojů. Praha: SNTL, 988, 688 s. [5] WIEDEMANN, E. - KELLENBERGER, W. Konstrukce elektrických strojů. Praha: SNTL, 97, 650 s. 56

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 Seznam říloh Příloha č. : Graf ro určení obvodové roudové hustoty a magnetické indukce ve vzduchové mezeře Příloha č. : Normalizované rozměry měděných ásů dle ČSN 4 808 Příloha č. : Nákres statorové dráţky Příloha č. 4: Carterův činitel resektující vliv dráţkování induktu Příloha č. 5: Magnetizační charakteristika statorových lechů Příloha č. 6: Nomogram k určení skutečné magnetické indukce v zubech statoru Příloha č. 7: Magnetizační charakteristika konstrukční oceli Příloha č. 8: Činitelé ovrchových ztrát Příloha č. 9: Příčný řez strojem (na samostatném listu) Příloha č. 0: Podélný řez strojem (na samostatném listu) 57

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 Příloha č. Graf ro určení obvodové roudové hustoty a magnetické indukce ve vzduchové mezeře Zdroj: [] 58

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 Příloha č. Normalizované rozměry měděných ásů dle ČSN 4 808 Zdroj: [] 59

9 58 48 6,8 Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 Příloha č. Nákres statorové dráţky Měřítko : 9,5,45 60

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 Příloha č. 4 Carterův činitel resektující vliv dráţkování induktu Zdroj: [] 6

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 Příloha č. 5 Magnetizační charakteristika statorových lechů Zdroj: [] 6

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 Příloha č. 6 Nomogram k určení skutečné magnetické indukce v zubech statoru Zdroj: [] 6

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 Příloha č. 7 Magnetizační charakteristika konstrukční oceli Zdroj: [] 64

Návrh turboalternátoru Bc. Lukáš Zíka 05 Příloha č. 8 Činitelé ovrchových ztrát Zdroj: [] 65