Как устроены синхронные турбо- и гидрогенераторы?

В большинстве синхронных машин используется обращенная конструктивная схема по сравнению с машинами постоянного тока, т. е, система возбуждения расположена на роторе, а якорная обмотка на статоре. Это объясняется тем, что через скользящие контакты проще осуществить подвод сравнительно слабого тока к обмотке возбуждения, чем тока к рабочей обмотке. Магнитная система синхронной машины показана на рис. 1.

Полюса возбуждения синхронной машины размещены на роторе. Сердечники полюсов электромагнитов выполняются так же, как в машинах постоянного тока. На неподвижной части — статоре расположен сердечник 2, набранный из изолированных листов электротехнической стали, в пазах которого размещена рабочая обмотка переменного тока — обычно трехфазная.

Рис. 1. Магнитная система синхронной машины

При вращении ротора в обмотке якоря наводится переменная э.д.с., частота которой прямо пропорциональна частоте вращения ротора. Протекающий по рабочей обмотке переменный ток создает свое магнитное поле. Ротор и поле рабочей обмотки вращаются с одинаковой частотой — синхронно. В двигательном режиме вращающееся рабочее поле увлекает за собой магниты системы возбуждения, а в генераторном — наоборот.

Рассмотрим конструкцию самых мощных машин — турбо- и гидрогенераторов . Турбогенераторы приводятся во вращение паровыми турбинами, которые наиболее экономичны при высоких частотах вращения. Поэтому турбогенераторы выполняют с минимальным числом полюсов системы возбуждения — двумя, что соответствует максимальной частоте вращения 3000 об/мин при промышленной частоте 50 Гц.

Основная проблема турбогенераторостроения заключается в создании надежной машины при предельных величинах электрических, магнитных, механических и тепловых нагрузок. Эти требования накладывают отпечаток на всю конструкцию машины (рис. 2).

Рис. 2. Общий вид турбогенератора: 1 — контактные кольца и щеточный аппарат, 2 — подшипник, 3 — ротор, 4 — бандаж ротора, 5 — обмотка статора, 6 — статор, 7 — выводы обмотки статора, 8 — вентилятор.

Ротор турбогенератора выполняется в виде цельной поковки диаметром до 1,25 м, длиной до 7 м (рабочая часть). Полная длина поковки с учетом вала составляет 12 — 15 м. На рабочей части фрезеруются пазы, в которые укладывается обмотка возбуждения. Таким образом получается двухполюсный электромагнит цилиндрической формы без явно выраженных полюсов.

При производстве турбогенераторов применяются новейшие материалы и конструктивные решения, в частности непосредственное охлаждение активных частей струями охлаждающего агента — водорода или жидкости. Для получения больших мощностей приходится увеличивать длину машины, что и придает ей весьма своеобразный вид.

Гидрогенераторы (рис. 3) по конструкции существенно отличаются от турбогенераторов. Экономичность режима гидравлических турбин зависит от скорости водяного потока, т. е. напора. На равнинных реках создать большой напор невозможно, поэтому частоты вращения турбин весьма низкие — от десятков до сотен оборотов в минуту.

Чтобы получить промышленную частоту 50 Гц, такие тихоходные машины приходится делать с большим числом полюсов. Для размещения большого количества полюсов приходится увеличивать диаметр ротора гидрогенератора, иногда до 10 — 11 м.

Рис. 3. Продольный разрез гидрогенератора зонтичного типа: 1 — ступица ротора, 2 — обод ротора, 3 — полюс ротора, 4 — сердечник статора, 5 — обмотка статора, 6 — крестовина, 7 — тормоз, 8 — подпятник, 9 — втулка ротора.

Создание мощных турбо- и гидрогенераторов представляет сложную инженерную задачу. Необходимо решить целый ряд вопросов механического, электромагнитного, теплового и вентиляционного расчетов и обеспечить технологичность конструкции в производстве. Эти задачи по плечу только мощным конструкторско-производственным коллективам и фирмам.

Весьма интересны конструкции различных типов синхронных микромашин , в которых широко используются системы с постоянными магнитами и реактивные системы, т. е. системы, у которых рабочее магнитное поле взаимодействует не с магнитным полем возбуждения, а с ферромагнитными выступающими полюсами ротора, не имеющими обмотки.

Но все-таки основная область техники, где синхронные машины сегодня не имеют конкурентов — это энергетика. Все генераторы на электростанциях от самых мощных до передвижных выполняются на базе синхронных машин.

Рис. 4. Синхронный турбогенератор

Что же касается синхронных двигателей, то их слабым местом является проблема пуска. Сам по себе синхронный двигатель обычно не может разогнаться. Для этого он снабжается специальной пусковой обмоткой, работающей по принципу асинхронной машины, что усложняет конструкцию и сам процесс пуска. Поэтому синхронные двигатели обычно выпускаются на средние и большие мощности.

Учебный диафильм созданный фабрикой учебно-наглядных пособий в 1965-году:
Синхронные генераторы

Источник

Характеристики источника первичной энергии

Гидрогенераторы

Определения

Гидрогенератор – это электрогенератор, приводимый во вращение гидравлической турбиной. Гидротурбина – турбина, преобразующая механическую (кинетическую и потенциальную) энергию воды, текущей под напором, в энергию вращающегося вала. Гидроагрегат – совокупность гидрогенератора с гидротурбиной (рис. 3.1). Гидроэлектростанция (ГЭС) – электростанция, в качестве первичного источника энергии использующая энергию водного потока. Гидроэлектростанции обычно строят на реках, сооружая плотины и водохранилища.

Рис. 3.1. Гидроагрегат [7] 1 — гидротурбина, 2 — гидрогенератор

Гидротехнические сооружения обеспечивают необходимый напор воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию.

Каждая крупная ГЭС содержит несколько гидроагрегатов, мощность которых суммируется при определении общей мощности электростанции.

— ГЭС «Три ущелья»: 34 генератора;

— Волжская ГЭС: 22 генератора;

— ГЭС «Итайпу»: 20 генераторов;

— Братская ГЭС: 18 генераторов;

— Саяно-Шушенская ГЭС: 10 гидрогенераторов.

Конструкция и параметры гидрогенераторов регламентируются ГОСТ 5616-89.

Область применения

Область применения: гидравлические электростанции (ГЭС); гидроаккумулирующие станции (ГАЭС).

В Разделе 3 речь будет идти о ГЭС большой мощности (если не оговорено иное).

О ГАЭС будет идти речь в Разделе 11.2.2.2 и Разделе 16.6.

Назначение

Назначение крупных ГЭС (и их гидрогенераторов): создание централизованной энергосистемы страны, т.е. обеспечение электроэнергией большой территории.

Наряду с ГЭС централизованная энергосистема создается также и другими типами электростанций.

Общие характеристики

Характеристики источника первичной энергии

Гидравлическая энергия относится к возобновляемым природным энергоресурсам (см. Раздел 4.2). Под лучами солнца испаряется вода из озер, рек и морей. Образуются облака, идет дождь, и вода возвращается в водные бассейны. С таким круговоротом воды в природе связано колоссальное количество энергии. Географическая область умеренного климата, расположенная на высоте около 2500 м над уровнем моря, при количестве осадков порядка 1000 мм/год теоретически могла бы непрерывно давать более 750 кВт с каждого квадратного километра площади [17].

В мировом балансе энергетические ресурсы рек России составляют около 10% ресурсов мира (освоены на 32,8%) [44].

Помимо энергии рек можно использовать энергию приливов на берегах морей, где гравитационные силы Луны и Солнца дважды в сутки изменяют уровень воды.

Доля ГЭС в энергетике

— установленная суммарная мощность 777 ГВт (2006г) [24]; 836 ГВт (конец 2005г, без учета малых ГЭС) [28];

— вырабатывают 2994 ТВт·ч/год (конец 2005г) [28];

— 19% от всей производимой электроэнергии [22], до 20 % (2006г) [24];

— 88 % от электроэнергии, вырабатываемой источниками возобновляемой энергии [24];

— используется 16% от технического потенциала гидравлической энергии (конец 2005г) [28].

В странах (конец 2005г) [28]:

— Китай: установленная мощность 108 ГВт, 397 ТВт·ч/год (максимальные показатели в мире);

— Норвегия: 27 ГВт (98,9% от общего производства электроэнергии в стране);

— установленная суммарная мощность 44 ГВт (конец 2005г) [28];

— 18,3% от общего производства электроэнергии в стране (конец 2005г) [28];

— вырабатывается 165*10 9 кВт·ч/год (2010г) [42].

3.5. Тип электрической машины:

а) явнополюсный синхронный генератор;

(У турбогенератора, напомню, неявнополюсная конструкция).

Самый распространенный случай (применяется практически во всех гидрогенераторах крупных ГЭС) [1].

Это связано с тем, что гидрогенераторы работают при малых частотах вращения (Раздел 3.7), не критичных по отношению к прочности ротора, и в этих условиях в силу своих качеств более предпочтительной является явнополюсная конструкция (Разделы 13.4.2 и 13.4.3).

б) асинхронизированная машина (машина двойного питания) (Раздел 13.3).

Редко используемый вариант. Единственный пример в России: Иовская ГЭС (Мурманская обл.).

Введена в эксплуатацию в 1962 году. Мощность генератора 40 МВт, частота вращения 136,4 об/мин. Предложена М.М.Ботвинником [6].

Мощность гидрогенераторов

Номинальная мощность

По мощности гидрогенераторы крупных ГЭС разделяются на следующие классы [43]:

— малой мощности — до 5 МВт;

— средней — от 5 до 25 МВт;

— большой мощности — свыше 25 МВт.

Самые мощные гидрогенераторы в России: гидрогенераторы Саяно-Шушенской ГЭС, сооруженной на реке Енисей: 640 МВт (711 МВА [6]).

Самые мощные гидрогенераторы в мире: гидрогенераторы ГЭС «Сянцзяба» (Китай, река Янцзы): 800 МВт [31].

Мощность некоторых крупнейших гидрогенераторов:

— гидрогенераторы ГЭС «Итайпу» (Бразилия): 700 МВт [16]; 823,6 МВА (самый мощный гидрогенератор в мире) [6];

— гидрогенераторы ГЭС «Три ущелья» (Китай): 700 МВт [16];

— гидрогенераторы Красноярской ГЭС: 500 МВт [16];

— гидрогенераторы Братской ГЭС: 250 и 255 МВт[16];

— гидрогенераторы Усть-Илимской ГЭС: 240 МВт[16].

Выходная мощность гидрогенератора Р_вых.г зависит от выходной мощности гидротурбины Р_вых.т, являющейся входной мощностью для гидрогенератора

где η_г – КПД гидрогенератора.

Выходная мощность гидротурбины Р_вых.т зависит от мощности водотока N, являющейся входной мощностью для гидротурбины

где η_т – КПД гидротурбины.

Чтобы на выходе генератора была обеспечена заявленная мощность, на гидротурбину должна быть подана достаточная мощность водотока.

Мощность водотока может быть рассчитана по формуле [1]:

, где ρ — плотность воды =1000

g — ускорение свободного падения =9,81 м/с; Q — расход воды, [м 3 /сек]; Н — напор воды, м. Для создания повышенного напора строится плотина, поднимающая уровень воды в реке и создающая напор воды в месте расположения турбин (рис. 3.2) [11]. В зависимости от максимального использования напора воды ГЭС делятся на [30]: — высоконапорные — более 60 м; — средненапорные — от 25 м; — низконапорные — от 3 до 25 м. Не следует путать высоту плотины и значение напора (напор меньше).

Рис. 3.2. Схема плотины ГЭС [24]

Примеры (величина расчетного напора) [16]:

— Гизельдонская ГЭС (Северная Осетия, Россия): 289 м (самая высоконапорная ГЭС в России) [29];

— Саяно-Шушенская ГЭС: напор 194 м (плотина 245 м);

— ГЭС «Итайпу»: 118,4 м;

— Братская ГЭС: 106 м;

— ГЭС «Три ущелья»: от 79 до 109 м.

Перегрузка

В требованиях для гидрогенераторов задается перегрузка по току.

Согласно ГОСТ 183-74 гидрогенераторы должны без повреждений и остаточных деформаций выдерживать:

— при косвенном охлаждении обмоток статора — 1,5-кратный номинальный ток в течение 2 минут;

— при непосредственном охлаждении обмотки статора — 1,5-кратный номинальный ток в течение 2 минут.

Выходное напряжение

Выходное напряжение – трехфазное переменное. Если говорят о значении переменного трехфазного напряжения без уточнения, то имеют в виду действующее значение линейного напряжения. Номинальное напряжение гидрогенераторов выбирается из ряда значений, определенных государственным стандартом [8]:0,4; 0,63; 3,15; 6,3; 10,5; 13,8; 15,75; 18,0; 20 кВ. Чем больше мощность машины, тем выше выбирается уровень напряжения (чтобы при этом получить меньший рост фазного тока) (табл.3.1). Таблица 3.1 – Зависимость напряжения гидрогенераторов от мощности [8]

Мощность, МВА	5-10	10-25	25-50	50-150	150-500	Более 600
Напряжение, кВ	3,15-6,3	6,3-10,5	10,5-13,8	13,8-15,75	15,75-18,0	18,0-20,0

Допустимое изменение действующего значения напряжения на выводах обмотки статора составляет ±5% при номинальной мощности и номинальном коэффициенте мощности.

Пример: выходное напряжение гидрогенераторов Саяно-Шушенской и Красноярской ГЭС – 15,75 кВ [44].

Для передачи электроэнергии отдаленным потребителям даже такое высокое переменное напряжение мощных гидрогенераторов дополнительно увеличивается в силовых трансформаторах до 20, 35, 110, 220, 330, 500, 750 кВ.

Пример: на Красноярской ГЭС используются трехфазные трансформаторы на напряжение 220 кВ мощностью 630 МВА и однофазные трансформаторы на напряжение 500 кВ мощностью 417 МВА (в свое время самые мощные в нашей стране) [44].

Фазный ток

Большая выходная мощность гидрогенераторов (несмотря на большой уровень выходного напряжения) достигается большими токами в обмотке статора генератора:

Пример: номинальный фазный ток гидрогенераторов Саяно-Шушенской ГЭС составляет 28,5 кА [44].

Охлаждение

Общие принципы охлаждения крупных машин смотри в Разделе 2.10.

В крупных гидрогенераторах применяются следующие способы охлаждения:

— воздушное (как пример: дополнительно с использованием воздухоохладителей – трубопроводов, по которым циркулирует вода, воздух, соприкасаясь с ними, охлаждается, и после этого поступает в машину для охлаждения ее нагретых частей);

— водяное (более эффективное, используется для гидрогенераторов большой мощности);

— воздушно-водяное (наиболее распространено [27]) (водяное – для наиболее напряженных в тепловом отношении элементов – обмотки якоря).

Повышение интенсивности охлаждения позволяет снизить расход изоляции, меди и активной стали.

Водородное охлаждение в гидрогенераторах не применяется ввиду больших размеров ротора и трудностей герметизации корпуса генератора [39].

Требования, предъявляемые к системам возбуждения

— надежное электропитание постоянным током обмотки возбуждения гидрогенератора в любых режимах, в том числе и при авариях в энергосистемах;

— устойчивое регулирование тока возбуждения при изменении нагрузки гидрогенератора от нуля до номинальной при заданном уровне напряжения (Раздел 3.16.1);

— достаточное быстродействие (малое время переходного процесса — между подачей команды на изменение тока возбуждения до достижения им соответствующего значения);

— форсировка возбуждения, т.е. быстрое нарастание напряжения, подаваемого на ОВ, от номинального значения до предельного;

Форсировка возбуждения требуется, в частности, для поддержания устойчивой работы гидрогенератора во время аварии в энергосистеме и восстановления нормального режима после ликвидации аварии. (Предельное значение напряжения возбуждения в гидрогенераторах принимают не менее 1,8…2 от номинального напряжения возбуждения).

— быстрое уменьшение тока возбуждения (гашение магнитного поля);

Это качество исключает недопустимое значительное повышения напряжения в фазных обмотках гидрогенератора при оперативных отключениях гидрогенератора от сети, а также в случае аварии в гидрогенераторе, т.е. при быстром отключении гидрогенератора от нагрузки.

Регулирование

— стабилизация уровня выходного напряжения;

— стабилизация частоты напряжения.

Понятие угонной скорости

Предположим, что система регулирования вышла из строя и происходит полный сброс нагрузки. При отсутствии момента сопротивления турбина разгонит гидрогенератор до максимальной частоты вращения. Эта скорость называется угонной. Она может превосходить номинальную скорость в 1,8. 3,5 раза. Гидрогенератор по механической прочности должен выдерживать такую скорость [9].

3.17. Показатели надежности [15]

Гидрогенераторы характеризуются высокой степенью надежности:

— средняя наработка на отказ — 27 000 ч (прогнозируемое время работы с начала эксплуатации до первого отказа);

— средний срок эксплуатации между капитальными ремонтами — 7 лет;

— средний срок эксплуатации — 40 лет;

— коэффициент готовности -0,996.

Коэффициент готовности – вероятность того, что объект окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени (кроме периодов планового технического обслуживания).