Hur är synkrona turbos och hydrogeneratorer arrangerade?

I vattenkraftverk drivs generatorer av vattenturbiner som roterar med hastigheter på 68 till 250 rpm. I termiska kraftverk genereras elektrisk energi av turbinenheter som består av en ångturbin och en turbingenerator. För bättre användning av ångenergi byggs turbiner som höghastighetsturbiner med en rotationshastighet på 3000 rpm. Termiska anläggningar finns även i stora industriföretag.

Generatorer är enklare i designen och kan byggas med betydligt mer effekt än DC-generatorer.

De flesta synkronmaskiner använder en inverterad design jämfört med DC-maskiner, dvs. magnetiseringssystemet är placerat på rotorn och ankarlindningen på statorn. Detta beror på att det är lättare att tillföra en relativt låg ström till magnetiseringsspolen genom glidkontakter än att tillföra ström till manöverspolen. Det magnetiska systemet för en synkronmaskin visas i fig. 1.

Synkronmaskinens exciteringspoler är placerade på rotorn.Polkärnorna hos elektromagneter tillverkas på samma sätt som i likströmsmaskiner. På den stationära delen, statorn, finns en kärna 2, gjord av isolerade plåtar av elektriskt stål, i vars kanaler det finns en arbetsspole för växelström - vanligtvis trefas.

Ris. 1. Magnetsystem för en synkronmaskin

När rotorn roterar induceras en alternerande emk i ankarlindningen, vars frekvens är direkt proportionell mot rotorns hastighet. Växelströmmen som flyter genom arbetsspolen skapar ett eget magnetfält. Rotorn och arbetsspolens fält roterar med samma frekvens — synkront… I motorläget bär det roterande arbetsfältet magneterna från magnetiseringssystemet med sig och i generatorläget, vice versa.

Se här för mer information: Syfte och arrangemang av synkronmaskiner

Överväg att designa de mest kraftfulla maskinerna — turbos och hydrogeneratorer... Turbingeneratorer drivs av ångturbiner, som är mest ekonomiska vid höga hastigheter. Därför tillverkas turbingeneratorer med ett minsta antal poler i excitationssystemet - två, vilket motsvarar en maximal rotationshastighet på 3000 rpm vid en industriell frekvens på 50 Hz.

Huvudproblemet med turbogeneratorteknik är skapandet av en pålitlig maskin med gränsvärdena för elektriska, magnetiska, mekaniska och termiska belastningar. Dessa krav lämnar ett avtryck på maskinens hela design (fig. 2).

Ris. 2. Översikt över turbingeneratorn: 1 — släpringar och borstapparat, 2 — lager, 3 — rötor, 4 — rotorlist, 5 — statorlindning, 6 — stator, 7 — statorlindningar, 8 — fläkt.

Rotorn på en turbingenerator är gjord i form av en solid smide med en diameter på upp till 1,25 m, en längd på upp till 7 m (arbetsdel). Smidets totala längd, med hänsyn till axeln, är 12 — 15 m. På arbetsdelen fräses kanaler, i vilka excitationsspolen är placerad. Således erhålls en cylindrisk bipolär elektromagnet utan klart definierade poler.

Vid produktion av turbingeneratorer används de senaste materialen och designlösningarna, i synnerhet direktkylning av de aktiva delarna med strålar av ett kylmedel - väte eller vätska. För att få hög effekt är det nödvändigt att öka längden av maskinen, vilket ger den ett mycket speciellt utseende.

Hydrogeneratorer (Fig. 3) skiljer sig väsentligt i konstruktion från turbingeneratorer. Effektiviteten av driften av den hydrauliska turbinen beror på hastigheten på vattenflödet, d.v.s. ansträngning. Det är omöjligt att skapa högt tryck på platta floder, därför är turbinens rotationshastigheter mycket låga - från tiotals till hundratals varv per minut.

För att få en industriell frekvens på 50 Hz måste sådana låghastighetsmaskiner tillverkas med ett stort antal poler. För att rymma ett stort antal stolpar är det nödvändigt att öka diametern på hydrogeneratorns rotor, ibland upp till 10-11 m.

Ris. 3. Längdsnitt av en paraplyvätegenerator: 1 — rotornav, 2 — rotorfälg, 3 — rotorstolpe, 4 — statorkärna, 5 — statorlindning, 6 — tvärbalk, 7 — broms, 8 — axiallager, 9 — rotorhylsa.

Att bygga kraftfulla turbos och hydrogeneratorer är en teknisk utmaning.Det är nödvändigt att lösa ett antal frågor om mekaniska, elektromagnetiska, termiska och ventilationsberäkningar och att säkerställa tillverkningsbarheten av strukturen i produktionen. Endast kraftfulla design- och produktionsteam och företag kan hantera dessa uppgifter.

Strukturer av olika slag är mycket intressanta. synkrona mikromaskiner, där permanentmagnet och reaktiva system används i stor utsträckning, dvs. system där det arbetande magnetfältet interagerar inte med det magnetiska excitationsfältet, utan med de ferromagnetiska framträdande polerna på rotorn, som inte har en lindning.

Ändå är det huvudsakliga teknologiska området där synkronmaskiner inte har några konkurrenter idag, energi. Alla generatorer i kraftverk, från de mest kraftfulla till de mobila, är baserade på synkrona maskiner.

Som för synkrona motorer, då är deras svaga punkt startproblemet. En synkronmotor i sig själv kan vanligtvis inte accelerera. För att göra detta är den utrustad med en speciell startspole som arbetar enligt principen om en asynkron maskin, vilket komplicerar designen och själva startprocessen. Synkronmotorer är därför generellt tillgängliga i medelhög till hög effekt.

Figuren nedan visar konstruktionen av en turbingenerator.

Generatorns rötor 1 är gjord av stålsmide, i vilken spår är frästa för excitationsspolen, driven av en speciell DC-maskin 10, kallad en exciter. Strömmen till rotorlindningen tillförs genom släpringar som stängs av huset 9, rotorlindningens ledningar är anslutna till dem.

Vid rotation producerar rotorn en stor centrifugalkraft.I rotorns spår hålls lindningen av metallkilar, och stålhållarringarna 7 pressas mot de främre delarna.

Statorn är sammansatt av stansade plåtar 2 av specialstål, som är förstärkta i en ram 3 svetsad av stålplåt. Varje statorblad består av flera delar, så kallade segment, som är fixerade med 4 bultar.

I statorns kanaler läggs en spole 6, i vars trådar elektromotoriska krafter induceras när rotorn roterar. De elektromotoriska krafterna hos de seriekopplade lindningstrådarna ökar och en spänning på flera tusen volt genereras vid terminalerna 12. När strömmar flyter mellan lindningstrådarna skapas stora krafter. Därför är de främre delarna av statorlindningen förbundna med ringar 5.

Rotorn roterar i lager 8. Mellan lagret och bottenplattan läggs en kretsbrytande isolering, genom vilken lagerströmmarna kan stängas. Det andra lagret är tillverkat tillsammans med en ångturbin.

För att kyla generatorn är statorn uppdelad i separata paket, mellan vilka ventilationskanaler är placerade. Luften drivs av fläktar 11 monterade på rotorn.

För att kyla kraftfulla generatorer är det nödvändigt att trycka en enorm mängd luft genom dem och nå tiotals kubikmeter per sekund.

Om kylluften tas från stationens lokaler, med närvaron av de mest obetydliga mängderna damm (några milligram per kubikmeter) i den, kommer generatorn att förorenas med damm på kort tid. Därför byggs turbingeneratorer med ett slutet ventilationssystem.

Luften, som värms upp när den passerar genom generatorns ventilationskanaler, kommer in i speciella luftkylare placerade under turbingeneratorns hölje.

Där passerar den uppvärmda luften mellan luftkylarens flänsrör, genom vilka vatten strömmar, och kyls. Luften återförs sedan till fläktarna som driver den genom ventilationskanalerna. På så sätt kyls generatorn kontinuerligt med samma luft och damm kan inte komma in i generatorn.

Hastigheten längs omkretsen av rotorn på en turbingenerator överstiger 150 m / s. Vid denna hastighet förbrukas en stor mängd energi på friktionen av rotorn i luften. Till exempel, i en turbingenerator med en effekt på 50 000 kWVt är energiförlusterna på grund av luftfriktion 53 % av summan av alla förluster.

För att minska dessa förluster fylls det inre utrymmet hos de kraftfulla turbingeneratorerna inte med luft, utan med väte. Väte är 14 gånger lättare än luft, det vill säga det har en liknande lägre densitet, på grund av vilken rotorfriktionsförlusterna minskar avsevärt.

För att förhindra en explosion av syreväte, bildad av en blandning av väte och syre i luft, sätts ett högre tryck än atmosfärstryck inuti generatorn. Därför kan atmosfäriskt syre inte penetrera generatorn.

3D-modell av en ångturbingenerator:

En pedagogisk band skapad av skolmaterialfabriken 1965:
Synkrona generatorer