Лекция 3
ГЕНЕРАТОРЫ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

 

Содержание лекции:            
  3.1. Конструкции синхронных генераторов
  3.2. Принцип действия синхронных генераторов
  3.3. Типы турбо - и гидрогенераторов по мощностям и способам охлаждения
Турбогенераторы
Гидрогенераторы
  3.4. Системы возбуждения генераторов
  3.5. Совершенствование изоляции обмоток синхронных генераторов
  3.6. Характеристики генераторов, работающих на автономную сеть
  3.7. Включение генераторов на параллельную работу с сетью постоянного напряжения и постоянной частоты
  3.8. Угловая характеристика. Статическая устойчивость работы генераторов при работе параллельно с сетью бесконечной мощности

 

3.1. Конструкции синхронных генераторов

Фактически вся промышленная электрическая энергия в стране вырабатывается на тепловых (ТЭС), гидравлических (ГЭС) и атомных (АЭС) электростанциях. В разных странах доля электроэнергии, производимой на различного вида электростанциях, неодинакова. В России в настоящее время тепловые электростанции дают примерно (69—70) %, атомные и гидравлические — по 15 % общего количества электроэнергии. Стоимость единицы вырабатываемой электроэнергии на каждом из этих трех видах станций может резко различаться. Различны капитальные затраты при их сооружении, расходы на эксплуатацию, уровень автоматизации, степень надежности, зависимость от сезона и особенностей их климатического и географического расположения и многих других обстоятельств. Объединяет их только одно. Они обязаны вырабатывать ток стандартной частоты 50 периодов в секунду, или 50 Гц, необходимого уровня напряжения для той сети, к которой присоединяются электрические машины, работающие в режиме генераторов переменного тока, установленных на каждой из станций. Абсолютное равенство частот напряжения сотен одновременно работающих генераторов может быть обеспечено только одним — специальным типом этих электрических машин — синхронными генераторами, т.е. работающими одновременно, в ритме единого времени, со строго определенными частотами вращения своих подвижных частей, называемых роторами.

Следует отметить, что все электрические машины обладают свойством обратимости. Любой электрический генератор может работать как двигатель, т.е. преобразовывать электрическую энергию в механическую. На каждой электростанции установлено большое число электродвигателей, удовлетворяющих собственные нужды станции.

Синхронные генераторы (СГ), предназначенные для преобразования механической энергии паровой, газовой или гидравлической турбины, вращающей ротор СГ, в электрическую энергию, имеют неподвижную часть, называемую статором.

Подвижная часть генератора (ротор) может быть выполнена с сосредоточенной обмоткой. В этом случае ротор и сам генератор называются явнополюсными. Если обмотка ротора является распределенной, ротор и генератор называются неявнополюсными.

На рис. 3.1 схематично показано поперечное сечение синхронной явнополюсной машины с четырьмя полюсами на роторе 2 чередующейся полярности N-S-N-S. Сосредоточенная обмотка возбуждения 4, размещенная на роторе, обтекается постоянным током, возбуждающим магнитное поле ротора. Ротор приводится во вращение источником механической энергии. Чаще всего — это паровая, газовая или гидравлическая турбина, создающая механический вращающий момент. Частота вращения турбины может быть различной — в диапазоне от десятков до сотен и даже тысяч оборотов в минуту: ниже для гидравлических турбин и выше для остальных видов. Постоянный ток на вращающуюся обмотку возбуждения 4 подается через контактные кольца 5. При вращении ротора магнитное поле обмотки возбуждения перемещается относительно неподвижной обмотки статора 3, размещенной в пазах сердечника статора 1, что вызывает (индуктирует) в обмотке электродвижущую силу (ЭДС). Частота ЭДС ¦1 равна произведению частоты вращения ротора n2 в оборотах в секунду на число пар полюсов ротора р (на рис. 3.1 p = 2, т.е. число полюсов 2р = 4), отсюда

 

вентиляционный каннннннал в полюсе пакет сердечника полюса стержень демпферной обмотки сегмент демпферной обмотки катушка обмотки возбуждения вал контактные кольца обод ротора остов ротора Синхронные генераторы, вращаемые паро- и газо­выми турбинами, назы­ваются турбо­генера­торами, а враща­емые гидрав­лическими тур­бинами — гидро­генера­торами.

Большинство турбогенераторов страны имеют число пар полюсов равное единице, значит для сети 50 Гц n2 = ¦1/р = 50 об/с или n2 = 60¦1/р = 3000 об/мин. Для стран, где принята частота напряжения 60 Гц (США, Япония и др.), частота вращения ротора составит 3600 об/мин. Для генераторов с большим, чем единица, числом пар полюсов частота вращения роторов будет частным от деления 3000 (или 3600) на число пар полюсов, об/мин:

1500, 1000, 750, 600 и т.д. (для 50 Гц)

или

1800, 1200, 900, 720 и т.д. (для 60 Гц).

Внешний вид явнополюсного ротора (2р = 12) и его поперечный разрез представлены на рис. 3.2 и рис. 3.3.



пружина межполюсная распорка стальная шайба хвост полюса Т-образной формы стяжная шпилька гибкое соединение между сегментами сегмент демпферной обмотки стержень демпферной обмотки витковая изоляция проводников неизолированный проводник обмотки возбуждения корпусная изоляция полюса изоляционная шайба встречные клинья хвостового крепления полюс


Неявнополюсный ротор, у которого обмотка возбуждения не сосредоточенная, а распределенная по пазам, показан на рис. 3.4 и 3.5.


хвостовик ротора центробежный вентилятор немагнитный клин паза ротора массивный магнитопровод ротора бандажное кольцо контактные кольца

немагнитный клин катушка обмотки возбуждения ярмо магнитопровода ротора втулка контактных колец изоляция втулки контактные кольца соединение между обмоткой возбуждения и контактными кольцами центрирующее кольцо бандажное кольцо немагнитный клин магнитный клин канала аксиальный канал в большом зубе катушка обмотки возбуждения осевой канал магнитопровода малый зуб магнитопровода большой зуб магнитопровода ярмо магнитопровода ротора

Такие роторы характерны для турбогенераторов, при этом число пар полюсов равно единице, реже — двум. Явнополюсная синхронная машина, приводимая во вращение гидравлической турбиной, т.е. гидрогенератор (рис. 3.6), чаще всего имеет вертикально ориентированный вал и «подвешена» на подпятник, воспринимающий не только массы генератора, гидротурбины, но и осевое давление воды на лопасти гидротурбины.



нажимная щека полюса выводы обмотки статора катушка обмотки статора воздухоразделительный щит осевой вентилятор тормозное кольцо ротора тормоз сегмент нижнего направляющего подшипника втулка нижнего направляющего подшипника вал нижняя крестовина обод ротора соединение между обмоткой возбуждения машины и контактными кольцами верхняя крестовина станина возбудителя регуляторный генератор щеточное устройство контактных колец контактные кольца машины щеточное устройство возбудителя коллектор возбудителя полюс возбудителя с обмоткой якорь возбудителя втулка подпятника и направляющего подшипника сегмент верхнего направляющего подшипника сегмент подпятника маслоохладитель кронштейн для крепления обмотки катушка обмотки возбуждения пакет магнитопровода статора полюс ротора корпус статора


Турбогенератор, вращаемый паровой или газовой турбиной, имеет горизонтально расположенный вал (рис. 3.7), опирающийся на два подшипника скольжения.



направление движения нагретого воздуха к охладителям смотровой люк торцевой щит термометр охлажденного воздуха направление движения охлажденного воздуха направление движения нагретого воздуха к охладителям вводы обмотки статора труба системы пожаротушения соединение между контактными кольцами и обмоткой возбуждения направляющий аппарат вентилятора контактное кольцо стояк подшипника гибкая соединительная муфта электромашинный возбудитель вкладыш подшипника крышка подшипника траверса со щеточным устройством центробежный вентилятор центрирующее кольцо воздухоразделительная перегородка с диффузором кронштейн для крепления обмотки бандажное кольцо ротора нажимное кольцо стержень обмотки статора стяжная шпилька пакет магнитопровода статора магнитопровод ротора корпус статора


Разрезы гидро- и турбогенераторов приведены на рис. 3.I и 3.II.

Масса электрической машины возрастает с уменьшением частоты ее вращения. Гидрогенераторы имеют частоту вращения примерно в 6—60 раз меньшую, чем турбогенераторы. Эта разница обусловлена различием типов применяемых в этих машинах паровых, газовых и гидравлических турбин, а также зависит от характера используемых для ГЭС водных источников (расход воды, уклон водопотока, рельеф местности при учете экономической целесообразности эксплуатируемой зоны). Из-за более низких частот вращения гидроагрегатов общие массы гидрогенераторов достигают 1,5—2 тыс. т и в несколько раз превышают массы аналогичных по мощности турбогенераторов, делая невозможным применение горизонтального расположения валов с более простыми подшипниками скольжения.

Диаметры роторов турбогенераторов на 3000 об/мин не превышают 1,1—1,25 м при длине ротора до 8 м. Роторы гидрогенераторов достигают в диаметре 15—20 м при длине до 5 м.