Kako so urejeni sinhroni turbo in hidrogeneratorji?
V hidroelektrarnah generatorje poganjajo vodne turbine, ki se vrtijo s hitrostjo od 68 do 250 obratov na minuto, v termoelektrarnah pa električno energijo proizvajajo turbinske enote, ki jih sestavljata parna turbina in turbogenerator. Za boljši izkoristek parne energije so turbine grajene kot visokohitrostne turbine s hitrostjo vrtenja 3000 vrt./min.Termoelektrarne so na voljo tudi v velikih industrijskih podjetjih.
Alternatorji so po zasnovi preprostejši in jih je mogoče zgraditi z bistveno večjo močjo kot generatorji enosmernega toka.
Večina sinhronih strojev uporablja obrnjeno zasnovo v primerjavi z DC stroji, tj. vzbujevalni sistem se nahaja na rotorju, armaturno navitje pa na statorju. To je posledica dejstva, da je vzbujalno tuljavo preko drsnih kontaktov lažje dovajati relativno majhen tok kot dovajati tok delovni tuljavi. Magnetni sistem sinhronskega stroja je prikazan na sl. 1.
Vzbujevalni poli sinhronskega stroja se nahajajo na rotorju.Polna jedra elektromagnetov so izdelana na enak način kot pri enosmernih strojih. Na mirujočem delu, statorju, je jedro 2, izdelano iz izoliranih plošč elektrotehničnega jekla, v kanalih katerega je delovna tuljava za izmenični tok - običajno trifazni.
riž. 1. Magnetni sistem sinhronskega stroja
Ko se rotor vrti, se v navitju armature inducira izmenična EMF, katere frekvenca je neposredno sorazmerna s hitrostjo rotorja. Izmenični tok, ki teče skozi delovno tuljavo, ustvarja lastno magnetno polje. Rotor in polje delovne tuljave se vrtita z enako frekvenco - sinhrono… V motornem načinu vrtljivo delovno polje nosi s seboj magnete vzbujalnega sistema, v generatorskem načinu pa obratno.
Za več podrobnosti si oglejte tukaj: Namen in ureditev sinhronskih strojev
Razmislite o oblikovanju najmočnejših strojev — turbo in hidrogeneratorjev... Turbinske generatorje poganjajo parne turbine, ki so najbolj varčne pri visokih vrtljajih. Zato so turbinski generatorji izdelani z najmanjšim številom polov vzbujalnega sistema - dvema, kar ustreza največji hitrosti vrtenja 3000 vrt / min pri industrijski frekvenci 50 Hz.
Glavni problem inženiringa turbogeneratorjev je ustvarjanje zanesljivega stroja z mejnimi vrednostmi električnih, magnetnih, mehanskih in toplotnih obremenitev. Te zahteve pustijo pečat na celotni zasnovi stroja (slika 2).
riž. 2. Splošni pogled na turbinski generator: 1 - drsni obroči in krtačni aparat, 2 - ležaj, 3 - rotor, 4 - trak rotorja, 5 - navitje statorja, 6 - stator, 7 - navitja statorja, 8 - ventilator.
Rotor turbinskega generatorja je izdelan v obliki trdnega odkovka s premerom do 1,25 m, dolžine do 7 m (delovni del). Skupna dolžina odkovka z upoštevanjem gredi je 12 — 15 m, na delovnem delu so rezkani kanali, v katerih je nameščena vzbujalna tuljava. Tako dobimo cilindrični bipolarni elektromagnet brez jasno definiranih polov.
Pri proizvodnji turbinskih generatorjev se uporabljajo najnovejši materiali in konstrukcijske rešitve, zlasti neposredno hlajenje aktivnih delov s curki hladilnega sredstva - vodika ali tekočine.Da bi dobili visoko moč, je potrebno povečati dolžino stroja, kar mu daje prav poseben videz.
Hidrogeneratorji (slika 3) se konstrukcijsko bistveno razlikujejo od turbinskih generatorjev. Učinkovitost delovanja hidravlične turbine je odvisna od hitrosti vodnega toka, tj. trud. Na ravnih rekah je nemogoče ustvariti visok pritisk, zato so hitrosti vrtenja turbine zelo nizke - od deset do sto vrtljajev na minuto.
Za pridobitev industrijske frekvence 50 Hz morajo biti takšni nizkohitrostni stroji izdelani z velikim številom polov. Za namestitev velikega števila polov je potrebno povečati premer rotorja hidrogeneratorja, včasih do 10-11 m.
riž. 3. Vzdolžni prerez krovnega vodikovega generatorja: 1 — pesto rotorja, 2 — rob rotorja, 3 — drog rotorja, 4 — jedro statorja, 5 — navitje statorja, 6 — prečni nosilec, 7 — zavora, 8 — potisni ležaj, 9 — rokav rotorja.
Gradnja močnih turbinskih in hidrogeneratorjev je inženirski izziv.Treba je rešiti številna vprašanja mehanskih, elektromagnetnih, toplotnih in prezračevalnih izračunov ter zagotoviti izdelljivost konstrukcije v proizvodnji. Le močne oblikovalske in proizvodne ekipe ter podjetja so kos tem nalogam.
Strukture različnih vrst so zelo zanimive. sinhroni mikrostroji, v katerem se široko uporabljajo trajni magneti in reaktivni sistemi, t.j. sistemi, v katerih delovno magnetno polje ne deluje z vzbujevalnim magnetnim poljem, temveč s feromagnetnimi izstopajočimi poli rotorja, ki nimajo navitja.
Vendar je glavno tehnološko področje, kjer sinhroni stroji danes nimajo tekmecev, energija. Vsi generatorji v elektrarnah, od najmočnejših do mobilnih, temeljijo na sinhronskih strojih.
Kar zadeva sinhroni motorji, potem je njihova šibka točka težava pri zagonu. Sinhroni motor sam po sebi običajno ne more pospešiti. Da bi to naredili, je opremljen s posebno zagonsko tuljavo, ki deluje na principu asinhronega stroja, kar otežuje zasnovo in sam postopek zagona. Sinhroni motorji so zato na splošno na voljo v srednjih do visokih močeh.
Spodnja slika prikazuje konstrukcijo turbinskega generatorja.
Rotor 1 generatorja je izdelan iz jeklenega odkovka, v katerem so rezkani utori za vzbujalno tuljavo, ki jo poganja poseben enosmerni stroj 10, imenovan vzbujalnik. Tok do navitja rotorja se napaja skozi drsne obroče, zaprte z ohišjem 9, z njimi so povezane žice navitja rotorja.
Pri vrtenju rotor proizvaja veliko centrifugalno silo.V utorih rotorja se navitje drži s kovinskimi klini, jekleni pritrdilni obroči 7 pa so pritisnjeni na sprednje dele.
Stator je sestavljen iz žigosanih listov 2 iz posebnega električnega jekla, ki so ojačani v okvirju 3, varjenem iz jeklene pločevine. Vsak statorski list je sestavljen iz več delov, imenovanih segmenti, ki so pritrjeni s 4 vijaki.
V kanalih statorja je položena tuljava 6, v žicah katere se med vrtenjem rotorja inducirajo elektromotorne sile. Elektromotorne sile zaporedno povezanih navitih žic se povečajo in na sponkah 12 se ustvari napetost nekaj tisoč voltov. Ko tokovi tečejo med navitimi žicami, nastanejo velike sile. Zato so sprednji deli statorskega navitja povezani z obroči 5.
Rotor se vrti v ležajih 8. Med ležajem in osnovno ploščo je položena odklopna izolacija, skozi katero se lahko zaprejo ležajni tokovi. Drugi ležaj je izdelan skupaj s parno turbino.
Za hlajenje generatorja je stator razdeljen na ločene pakete, med katerimi so nameščeni prezračevalni kanali. Zrak poganjajo ventilatorji 11, nameščeni na rotorju.
Za hlajenje močnih generatorjev je treba skozi njih potisniti ogromno količino zraka, ki doseže več deset kubičnih metrov na sekundo.
Če se hladilni zrak vzame iz prostorov postaje, potem bo s prisotnostjo najmanjše količine prahu (nekaj miligramov na kubični meter) v njem generator v kratkem času onesnažen s prahom. Zato so turbogeneratorji zgrajeni z zaprtim prezračevalnim sistemom.
Zrak, ki se segreje pri prehodu skozi prezračevalne kanale generatorja, vstopi v posebne hladilnike zraka, ki se nahajajo pod ohišjem turbinskega generatorja.
Tam gre ogret zrak med rebrastimi cevmi hladilnika zraka, skozi katere teče voda, in se ohlaja. Zrak se nato vrne k ventilatorjem, ki ga poganjajo skozi prezračevalne kanale. Na ta način se generator stalno hladi z istim zrakom in prah ne more priti v generator.
Hitrost vzdolž oboda rotorja turbinskega generatorja presega 150 m / s. Pri tej hitrosti se velika količina energije porabi za trenje rotorja v zraku. Na primer, v turbogeneratorju z močjo 50.000 kWVt so izgube energije zaradi zračnega trenja 53 % vsote vseh izgub.
Za zmanjšanje teh izgub notranji prostor močnih turbinskih generatorjev ni napolnjen z zrakom, temveč z vodikom. Vodik je 14-krat lažji od zraka, torej ima podobno nižjo gostoto, zaradi česar so izgube zaradi trenja rotorja znatno zmanjšane.
Da bi preprečili eksplozijo oksivodika, ki nastane iz mešanice vodika in kisika v zraku, je v generatorju nastavljen tlak, ki je višji od atmosferskega. Zato atmosferski kisik ne more prodreti v generator.
3D model generatorja parne turbine:
Izobraževalni trak, ki ga je leta 1965 ustvarila tovarna šolskih potrebščin:
Sinhroni generatorji
