СИНХРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
Синхронные генераторы — основное электрооборудование электростанций. Выбранный тип генератора определяет конструкцию всей электростанции и особенности ее эксплуатации. Тип устанавливаемых генераторов зависит главным образом от частоты вращения турбины.
Частота вращения роторов генераторов паротурбинных электростанций (ТЭС, АЭС) при частоте электрического тока 50 Гц принята равной 3000 об/мин. Сравнительно редко частота вращения принимается равной 1500 об/мин. Частота вращения гидротурбин обычно находится в пределах от 60 до 500 об/мин. Частота вращения ротора генератора п, частота переменного тока f (в Гц) и число пар полюсов ротора р связаны известным соотношением п = 60 f / р.
Следовательно, число пар полюсов ротора генератора паротурбинной электростанции (турбогенератора) при частоте f = 50 Гц и частоте вращения ротора п = 3000 об/мин должно быть равно 1. На роторах гидрогенераторов при п = 60 и 500 об/мин число пар полюсов должно быть соответственно равным р = 50 и 6. Конструкция ротора генератора зависит от числа пар полюсов.
Ротор турбогенератора неявнополюсной конструкции выполняется в виде стального цилиндра с продольными пазами, в которые укладывается обмотка возбуждения из полосовой меди, изолированной миканитом. Обмотка возбуждения закрепляется в пазах клиньями, а вне пазов (на лобовых частях) стальными бандажами или каппами. Из-за воздействия на ротор, вращающийся с такой большой частотой, центробежных сил ограничены размеры ротора: диаметр — не более 1250 мм, длина бочки ротора — не свыше 6,5 м.
Ротор гидрогенератора имеет несколько пар выступающих полюсов, т. е. явнополюсную конструкцию. Синхронные двигатели и компенсаторы с частотой вращения ниже 1500 об/мин тоже имеют явнополюсный ротор. Обмотка возбуждения явнополюсных синхронных машин выполняется в виде катушек, располагаемых на каждом полюсе и соединяемых последовательно.
На паротурбинных электростанциях принята конструкция турбоагрегатов с горизонтальным валом. А на гидроэлектростанциях принято вертикальное расположение вала турбины и гидрогенератора, так как при большом диаметре явнополюсного ротора вертикальная конструкция обеспечивает лучшие условия работы подшипников и уменьшенные размеры машинного здания. На рис. 1, и рис. 2 показаны схемы устройства соответственно турбогенератора и гидрогенератора, а также пути прохождения охлаждающего их воздуха. Система охлаждения электрических машин необходима для отвода теплоты, создаваемой потерями мощности в стали и меди ротора и статора.
Рис. 1. Турбогенератор и его вентиляция: 1 – статор; 2 – ротор; 3 – вал; 4 – кожух; 5 – фильтр; 6 – воздухоохладители; 7 – уплотнения; А – область разрежения в системе вентиляции; Б – область движения; В – камера горячего воздуха; Г – камера холодного воздуха; Д – подвод воздуха к уплотнениям.
Рис. 2. Гидрогенератор и его вентиляция: 1 – статор; 2 – ротор; 3 – подпятник; 4 – спицы ротора; 5 – направляющий подшипник; 6 – нижняя опорная крестовина; D – диаметр ротора генератора.
Для генераторов небольшой мощности (до 25 МВт на ТЭС) достаточно создать вентиляцию воздухом (см. рис. 1). Воздух под действием центробежных сил вращающегося ротора проходит через каналы в стали статора и охлаждает обмотки и магнитопроводы ротора и статора. Нагревшийся воздух поступает через окна в корпусе статора в трубчатые воздухоохладители. По трубкам воздухоохладителей протекает холодная вода. Охлажденный воздух снова засасывается ротором. Получается замкнутый цикл.
В турбогенераторах мощностью 25...100 МВт система вентиляции вместо воздуха заполняется водородом, имеющим большую теплоемкость. Переход на водородное охлаждение позволяет от того же турбогенератора получать мощность в 1,3 раза большую, чем при воздушном охлаждении (при соответствующем усилении турбины). Для современных сверхмощных генераторов применяется непосредственное охлаждение, при котором обмотки ротора и статора охлаждаются маслом или дистиллиpoванной водой. Охлаждающая жидкость поступает в полые стержни, составляющие обмотку, и охлаждает их изнутри.
Благодаря такому интенсивному охлаждению обмоток удается получить генератор заданной мощности при уменьшенных размерах или при тех же размерах в 3 — 4 раза большую номинальную мощность генератора. Системы непосредственного охлаждения при различных комбинациях охлаждающего вещества (водород, масло, вода) и разных конструкциях системы охлаждения стали и меди генератора позволили создать генераторы мощностью 300...800 МВт при тех ограничениях их размеров, которые обусловлены центробежными силами в роторе.
Системы возбуждения синхронных машин обеспечивают питание обмотки возбуждения постоянным током. Широкое применение нашли системы возбуждения с генераторами постоянного тока (возбудителями) и с преобразователями переменного тока в постоянный (вентильное возбуждение). И та, и другая система имеет несколько видов.