Технічні характеристики і конструкції сучасних генераторів
синхронні генератори
Для вироблення електроенергії на електростанціях застосовують синхронні генератори трифазного змінного струму. Розрізняють турбогенератори (первинний двигун - парова або газова турбіна) і гідрогенератори (первинний двигун - гідротурбіна).
Для синхронних електричних машин в сталому режимі роботи є строга відповідність між частотою обертання агрегату n. об / хв, і частотою мережі f. Гц:
де р - число пар полюсів обмотки статора генератора.
Парові турбіни випускають на великі частоти обертання (3000 і 1500 об / хв), так як при цьому турбоагрегати мають найкращі техніко-економічні показники. На теплових електростанціях (ТЕС), що спалюють звичайне паливо, частота обертання агрегатів, як правило, становить 3000 об / хв, а синхронні турбогенератори мають два полюси. На АЕС застосовують агрегати з частотою обертання 1500 і 3000 об / хв.
Швидкохідність турбогенератора визначає особливості його конструкції. Ці генератори виконуються з горизонтальним валом. Ротор турбогенератора, що працює при великих механічних і теплових навантаженнях, виготовляється з цільної поковки спеціальної сталі (хромонікелевої або хромонікельмолібденових), що володіє високими магнітними і механічними властивостями.
Ротор виконується неявнополюсним. Унаслідок значної частоти обертання діаметр ротора обмежується з міркувань механічної міцності 1,1-1,2 м при 3000 об / хв. Довжина бочки ротора також має граничне значення, рівне 6-6,5 м. Визначається воно з умов допустимого статичного прогину вала і отримання прийнятних вібраційних характеристик.
Рис.1. Загальний вигляд сучасного турбогенератора
1 - обмотка статора; 2 - ротор; 3,4 - з'єднувальні муфти;
5 - корпус статора; 6 - сердечник статора; 7 - збудник;
8 - контактні кільця ротора і щітки; 9 - підшипники генератора;
10 - підшипники збудника
В активній частині ротора, по якій проходить основний магнітний потік, фрезеруються пази, що заповнюються котушками обмотки збудження (рис.1). У пазової частини обмотки закріплюються немагнітними легкими, але міцними клинами з дюралюмінію. Лобова частина обмотки, не що у пазах, охороняється від зсуву під дією відцентрових сил за допомогою бандажа. Бандажі є найбільш напруженими в механічному відношенні частинами ротора і зазвичай виконуються з немагнітної високоміцної сталі. По обидва боки ротора на його валу встановлюються вентилятори (найчастіше пропелерного типу), що забезпечують циркуляцію охолоджувального газу в машині.
Статор турбогенератора складається з корпусу і сердечника. Корпус виготовляється звареним, з торців він закривається щитами з ущільненнями в місцях стику з іншими частинами (рис.1). Сердечник статора набирається з ізольованих листів електротехнічної сталі товщиною 0,5 мм. Листи набирають пакетами, між якими залишають вентиляційні канали. У пази, наявні у внутрішній расточке сердечника, укладається трифазна обмотка, зазвичай двошаровий.
Гідравлічні турбіни мають зазвичай відносно малу частоту обертання (60-600 об / хв). Частота обертання тим менше, чим менше натиск води і чим більше потужність турбіни. Гідрогенератори тому є тихохідними машинами і мають великі розміри і маси, а також велике число полюсів.
Гідрогенератори виконують з явнополюснимі роторами і переважно з вертикальним розташуванням вала. Діаметри роторів потужних гідрогенераторів досягають 14-16 м, а діаметри статоров - 20-22 м.
Рис.2. Загальний вигляд сучасного вертикального гідрогенератора
У машинах з великим діаметром ротора сердечником служить обід, що збирається на спицях, які кріпляться на втулці ротора. Полюси, як і обід, роблять складальними із сталевих листів і монтують на рамі ротора за допомогою Т-подібних виступів (рис.2). На полюсах крім обмотки збудження розміщується ще так звана демпферна обмотка, яка утворюється з мідних стрижнів, які закладаються в пази на полюсних наконечниках і замкнених з торців ротора кільцями. Ця обмотка призначена для заспокоєння коливань ротора агрегату, які виникають при всякому обурення, пов'язаному з різкою зміною навантаження генератора.
У турбогенераторах роль заспокійливої обмотки виконують масивна бочка ротора і металеві клини, що закривають обмотку збудження в пазах.
Статор гідрогенератора має принципово таку ж конструкцію, як і статор турбогенератора, але на відміну від останнього виконується роз'ємним. Він ділиться по колу на дві-шість рівних частин, що значно полегшує його транспортування і монтаж.
В останні роки починають знаходити застосування так звані капсульні гідрогенератори, мають горизонтальний вал. Такі генератори полягають в водонепроникну оболонку (капсулу), яка із зовнішнього боку обтекается потоком води, що проходить через турбіну. Капсульні генератори виготовляють на потужність кілька десятків мегавольт-ампер. Це порівняно тихохідні генератори (n = 60-150 об / хв) з явнополюсним ротором.
Серед інших типів синхронних генераторів, застосовуваних на електростанціях, треба відзначити так звані дизель-генератори, що з'єднуються з дизельним двигуном внутрішнього згорання. Це явнополюсние машини з горизонтальним валом. Дизель як поршнева машина має нерівномірний крутний момент, тому дизель-генератop забезпечується маховиком або його ротор виконується з підвищеним маховим моментом.
Номінальні параметри генераторів
Завод-виробник призначає генератор для певного тривало допустимого режиму роботи, який називають номінальним. Цей режим роботи характеризується параметрами, які носять назву номінальних даних генератора і вказуються на його табличці, а також в паспорті машини.
Номінальна напруга генератора - це лінійне (міжфазова) напруга обмотки статора в номінальному режимі.
Номінальним струмом статора генератора називається те значення струму, при якому допускається тривала нормальна робота генератора при нормальних параметрах охолодження (температура, тиск і витрата охолоджуючого газу і рідини) і номінальних значеннях потужності і напруги, зазначених у паспорті генератора.
Номінальна повна потужність генератора визначається за такою формулою, кВА:
Номінальна активна потужність генератора - це найбільша активна потужність, для тривалої роботи з якої він призначений в комплекті з турбіною.
Номінальна активна потужність генератора визначається наступним виразом:
Номінальні потужності турбогенераторів повинні відповідати ряду потужностей згідно ГОСТ 533-85Е. Шкала номінальних потужностей великих гідрогенераторів не стандартизовані.
Номінальний струм ротора - це найбільший струм збудження генератора, при якому забезпечується віддача генератором його номінальної потужності при відхиленні напруги статора в межах ± 5% номінального значення і при номінальному коефіцієнті потужності.
Номінальний коефіцієнт потужності згідно ГОСТ приймається рівним 0,8 для генераторів потужністю до 125 MBА, 0,85 для турбогенераторів потужністю до 588 MBА і гідрогенераторів до 360 MBА, 0,9 для більш потужних машин. Для капсульних гідрогенераторів зазвичай cosφном ≈ 1.
Кожен генератор характеризується також КПД при найменшому навантаженні і номінальному коефіцієнті потужності. Для сучасних генераторів номінальний коефіцієнт корисної дії коливається в межах 96,3-98,8%.