Технические характеристики и конструкции современных генераторов

СИНХРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Для выработки электроэнергии на электростанциях применяют синхронные генераторы трехфазного переменного тока. Различают турбогенераторы (первичный двигатель — паровая или газовая турбина) и гидрогенераторы (первичный двигатель - гидротурбина).
Для синхронных электрических машин в установившемся режиме работы имеется строгое соответствие между частотой вращения агрегата n, мин-1, и частотой сети f1, Гц:
n = 60*f1 / p, мин-1
где р — число пар полюсов обмотки статора генератора.
Паровые и газовые турбины выпускают на большие частоты вращения (3000 и 1500 мин-1), т. к. при этом турбоагрегаты имеют наилучшие технико-экономические показатели. На тепловых электростанциях (ТЭС), сжигающих обычное топливо, частота вращения агрегатов, как правило, составляет 3000 мин-1, а синхронные турбогенераторы имеют два полюса. На АЭС применяют агрегаты с частотой вращения 1500 и 3000 мин-1.
Быстроходность турбогенератора определяет особенности его конструкции. Эти генераторы выполняются с горизонтальным валом. Ротор турбогенератора, работающий при больших механических и тепловых нагрузках, изготовляется из цельной поковки специальной стали (хромоникелевой или хромоникельмолибденовой), обладающей высокими магнитными и механическими свойствами.
Ротор выполняется неявнополюсным. Вследствие значительной частоты вращения диаметр ротора ограничивается по соображениям механической прочности с учетом частоты вращения. Длина бочки ротора также имеет предельное значение, равное 6—6,5 м. Определяется оно из условий допустимого статического прогиба вала и получения приемлемых вибрационных характеристик. В активной части ротора, по которой проходит основной магнитный поток, фрезеруются пазы, заполняемые катушками обмотки возбуждения (рис. 1), В пазовой части обмотки закрепляются немагнитными, легкими, но прочными клиньями из дюралюминия. Лобовая часть обмотки, не лежащая в пазах, предохраняется от смещения под действием центробежных сил с помощью бандажа. Бандажи являются наиболее напряженными в механическом отношении частями ротора и обычно выполняются из немагнитной высокопрочной стали. По обеим сторонам ротора на его валу устанавливаются вентиляторы (чаще всего пропеллерного типа), обеспечивающие циркуляцию охлаждающего газа в машине.
Статор турбогенератора состоит из корпуса и сердечника. Корпус изготовляется сварным, с торцов он закрывается щитами с уплотнениями в местах стыка с другими частями (рис. 1). Сердечник статора набираетсяизизолированных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Листы набирают пакетами, между которыми оставляют вентиляционные каналы. В пазы, имеющиеся во внутренней расточке сердечника, укладывается трехфазная обмотка, обычно двухслойная.
Гидротурбины имеют обычно относительно малую частоту вращения (60—600 мин-1). Частота вращения тем меньше, чем меньше напор воды и чем больше мощность турбины. Гидрогенераторы поэтому являются тихоходными машинами и имеют большие размеры и массы, а также большое число полюсов. Гидрогенераторы выполняют с явнополюсными роторами и преимущественно с вертикальным расположением вала. Диаметры роторов мощных гидрогенераторов достигают 14 - 16м, а диаметры статоров —(20 – 22) м.
В машинах с большим диаметром ротора сердечником служит обод, собираемый на спицах, которые крепятся на втулке ротора. Полюсы, как и обод, делают наборными из стальных листов и монтируют на ободе ротора с помощью Т-образных выступов (рис. 2). На полюсах, помимо обмотки возбуждения, размещается еще так называемая демпферная обмотка, которая образуется из медных стержней, закладываемых в пазы на полюсных наконечниках и замыкаемых с торцов ротора кольцами. Эта обмотка предназначена для успокоения колебаний ротора агрегата, которые возникают при всяком возмущении, связанном с резким изменением нагрузки генератора.

Рис. 1. Общий вид современного турбогенератора:
1 — обмотка статора; 2 — ротор; 3,4— соединительные муфты; 5 — корпус статора;
6 — сердечник статора; 7 — возбудитель; 8 — контактные кольца ротора и щетки;
9 — подшипники генератора; 10 — подшипники возбудителя.

В турбогенераторах роль успокоительной обмотки выполняют массивная бочка ротора и металлические клинья, закрывающие обмотку возбуждения в пазах. Статор гидрогенератора имеет принципиально такую же конструкцию, как и статор турбогенератора, но в отличие от последнего выполняется разъемным.Он делится по окружности на две - шесть равных частей, что значительно облегчает его транспортировку и монтаж.
В последние годы начинают находить применение так называемые капсульные гидрогенераторы, имеющие горизонтальный вал. Такие генераторы заключаются в водонепроницаемую оболочку (капсулу), которая с внешней стороны обтекается потоком воды, проходящим через турбину. Капсульные генераторы изготовляют на мощность несколько десятков мегавольт-ампер. Это сравнительно тихоходные генераторы (n = 60 ÷ 150 мин-1) с явнополюсным ротором.
Среди других типов синхронных генераторов, применяемых на электростанциях, надо отметить так называемые дизель-генераторы, соединяемые с дизельным двигателем внутреннего сгорания. Это явнополюсные машины с горизонтальным валом. Дизель как поршневая машина имеет неравномерный крутящий момент, поэтому дизель-генератор снабжается маховиком или его ротор выполняется с повышенным маховым моментом.

1.2. Номинальные параметры генераторов.

Завод-изготовитель предназначает генератор для определенного длительно допустимого режима работы, который называют номинальным. Этот режим работы характеризуется параметрами, которые носят название номинальных данных генератора и указываются на его табличке, а также в паспорте машины.
Номинальное напряжение генератора - это линейное (междуфазное) напряжение обмотки статора в номинальном режиме.
Номинальным током статора генератора называется то значение тока, при котором допускается длительная нормальная работа генератора при нормальных параметрах охлаждения (температура, давление и расход охлаждающего газа и жидкости) и номинальных значениях мощности и напряжения, указанных в паспорте генератора.
Номинальная полная мощность генератора определяется по следующей формуле:

S = m * UНОМ * IНОМ, ВА

Номинальная активная мощность генератора - это наибольшая активная мощность, для длительной работы с которой он предназначен в комплекте с турбиной:
Рном = S ном * соsφном, Вт
Номинальные мощности турбогенераторов должны соответствовать ряду мощностей согласно ГОСТ 533—85. Шкала номинальных мощностей крупных гидрогенераторов не стандартизирована.
Номинальный ток ротора - это наибольший ток возбуждения генератора, при котором обеспечивается отдача генератором его номинальной мощности при отклонении напряжения статора в пределах ± 5 % номинального значения и при номинальном коэффициенте мощности.
Номинальный коэффициент мощности согласно ГОСТ принимается равным: соsφном = 0,8 - для генераторов мощностью до 125 MBA; соsφном = 0,85 для турбогенераторов мощностью до 588 MBА и гидрогенераторов до 360 MBA; соsφном = 0,9 для более мощных машин.
Для капсульных гидрогенераторов обычно соsφном = 1. Каждый генератор характеризуется также КПД при номинальной нагрузке и номинальном коэффициенте мощности. Для современных генераторов номинальный коэффициент полезного действия колеблется в пределах 96,3 - 98,8%.