Системы охлаждения генераторов

При работе генератора происходят потери энергии, превраща­ющиеся в теплоту, которая нагревает обмотки, сталь статора и ротора. Для удаления этой теплоты необходима система искусст­венного охлаждения.

Охлаждение можно производить воздухом, водородом, водой, маслом (рис. 2.2). Отвод теплоты может осуществляться непос­редственно от проводников обмотки по каналам, расположен­ным внутри пазов, или косвенно от поверхности ротора и ста­тора. Эти системы охлаждения имеют условное буквенное обозна­чение, применяемое в паспортных данных генераторов. Например: КВР — косвенное охлаждение водородом; НВ - непосредственное охлаждение водой.

Рис. 3.2. Системы охлаждения генераторов:

КВЗ — косвенное воздухом; НВЗ — непосредственное воздухом; КВР — косвен­ное водородом; НВР — непосредственное водородом; НВ — непосредственное водой; НМ — непосредственное маслом

Системы возбуждения

Обмотка ротора синхронного генератора питается постоянным током, который создает магнитный поток возбуждения. Обмотка ротора, источник постоянного тока, устройства регулирования и коммутации составляют систему возбуждения генератора.

Системы возбуждения должны:

обеспечивать надежное питание обмотки ротора в нормальных и аварийных режимах;

допускать регулирование напряжения возбуждения в достаточ­ных пределах;

обеспечивать быстродействующее регулирование возбуждения с высокими кратностями форсирования в аварийных режимах;

осуществлять быстрое развозбуждение и в случае необходимо­сти производить гашение поля в аварийных режимах.

Важнейшими характеристиками систем возбуждения являются: быстродействие, определяемое скоростью нарастания напряжения на обмотке ротора при форсировке V=0,632(Uf_ПОТ-Uf_HOM)/Uf_HOMt₁ и отношение потолочного напряжения к номинальному напряже­нию возбуждения U_{f пот}/ U_{f ном}= к_ф — так называемая кратность форсировки.

Согласно ГОСТ турбогенераторы должны иметь кф 2, а ско­рость нарастания возбуждения — не менее 2 с^-1. Кратность форсировки для гидрогенераторов должна быть не менее 1,8 для кол­лекторных возбудителей, соединенных с валом генератора, и не менее 2 для других систем возбуждения. Скорость нарастания на­пряжения возбуждения должна быть не менее 1,3 с^-1 для гидроге­нераторов мощностью до 4 MB·А включительно и не менее 1,5 с^-1 для гидрогенераторов больших мощностей [2.3].

Для мощных гидрогенераторов, работающих на дальние элек­тропередачи, к системам возбуждения предъявляются более вы­сокие требования: к_ф= 3-4, скорость нарастания возбуждения до 10U_fH0М в секунду.

Обмотка ротора и системы возбуждения генераторов с косвен­ным охлаждением должны выдерживать двукратный по отношению к номинальному току в течение 50 с. Для генераторов с непо­средственным охлаждением обмоток ротора это время сокраща­ется до 20с, для генераторов мощностью 800—1000 МВт принято время 15 с, 1200 МВт - 10с (ГОСТ 533-85Е).

В зависимости от источника питания системы возбуждения раз­деляются на системы:

1) независимого возбуждения

2) са­мовозбуждения.

В системе независимого возбуждения на одном валу с генератором находится возбудитель — генератор постоянного или пере­менного тока. В системе самовозбуждения питание обмотки воз­буждения осуществляется от выводов генератора через специаль­ные понижающие трансформаторы и выпрямительные устройства. Для генераторов мощностью до 100 МВт в качестве возбудителя применяется генератор постоянного тока GE, соединенный с ва­лом генератора (рис. 2.9, а). Обмотка возбуждения возбудителя LGE питается от якоря возбудителя, ток в ней регулируется реостатом RR или автоматическим регулятором возбуждения АРВ. Ток, пода­ваемый в обмотку возбуждения синхронного генератора G, оп­ределяется величиной напряжения на возбудителе. Недостатком такой системы возбуждения является невысокая надежность рабо­ты генератора постоянного тока GE из-за вибрации и тяжелых ус­ловий коммутации при высокой частоте вращения 3000 об/мин. Другим недостатком является невысокая скорость нарастания воз­буждения, особенно у гидрогенераторов

(V= 1 — 2 с^-1).

Рис.3.3. Принципиальные схемы возбуждения генераторов: а- независимое электромашинное возбуждение; б- полупроводниковое самовозбуждение

В системе самовозбуждения (рис. 2.9, б) обмотка возбуждения генератора LG получает питание от трансформатора ТЕ, присо­единенного к выводам генератора, через управляемые от АРВ вен­тили VS и от трансформаторов тока ТА через неуправляемые вен­тили VD. Ток вентилей VD пропорционален току статора, поэтому они обеспечивают форсировку возбуждения и работу генератора при нагрузке. Управляемые вентили VS подают ток, пропорцио­нальный напряжению генератора, и обеспечивают регулирование напряжения в нормальном режиме. Такая система применяется для мощных синхронных машин.

Широкое распространение получила система возбуждения с ма­шинным возбудителем 50 Гц и статическими выпрямителями (статическая тиристорная система независимого возбуждения — рис. 2.10). На одном валу с генератором (находится вспомогательный синхронный генератор GE, который име­ет на статоре трехфазную обмотку с отпайками, к которым при­соединены две группы тиристоров: рабочая группа VD1 — на низ­кое напряжение возбудителя и форсировочная группа VD2 — на полное напряжение. Применение двух групп тиристоров обеспе­чивает потолок возбуждения до 4 Uf _H0M и высокое быстродействие (V= 50 с^-1). Обе группы соединяются параллельно по трехфазной мостовой схеме. На рис. 2.10 для упрощения чтения схемы показа­ны тиристоры только в одной фазе.

Система управления тиристорами AVD2 и AVD1 питается от трансформатора ТА1 и связана с АРВ (автоматическое регулиро­вание возбуждения). Возбудитель GE имеет обмотку возбуждения LGE, получающую питание от трансформатора ТА2 через венти­ли VD. В рассмотренной схеме также показаны элементы схемы автоматического гашения магнитного поля (АГП): автомат АГП, резистор R, разрядник FV и контактор КМ.

Рис. 3.4. Статическая тиристорная система независимого возбуждения

К недостаткам схемы следует отнести наличие возбудителя пе­ременного тока, который услож­няет эксплуатацию, а также на­личие скользящих контактов между неподвижными щетками, к которым присоединена систе­ма неподвижных тиристоров, и подвижными контактными коль­цами КК, вращающимися на валу ротора.

Последний недостаток привел к разработке бесщеточной системы возбуждения (рис.2.11). В качестве возбудителя GE в этой системе используется синхронный генератор 50 Гц, об­мотка возбуждения которого LE расположена на неподвижном ста­торе, а трехфазная обмотка — на вращающемся роторе. Обмотка LE получает питание от подвозбудителя GEA через выпрямитель VDE.

На одном валу с возбудителем на специальных дисках укрепле­ны тиристоры VD, которые выпрямляют переменный ток возбу­дителя и подают его в ротор генератора по жестким шинам без колец и щеток, так как ротор генератора, тиристоры VD и ротор возбудителя вращаются на одном валу с одинаковой скоростью.

Регулирование тока возбуждения осуществляется от АРВ путем воздействия на тиристоры через импульсное устройство А и вра­щающийся трансформатор ТА.

Достоинством этой системы является отсутствие контактных колец и щеток, недостатком — необходимость останова генерато­ра для переключения на резервное возбуждение или для замены тиристоров.

Бесщеточная система применяется для синхронных компенса­торов мощностью 50 MB-А и более и турбогенераторов мощнос­тью 800 МВт и более.

Рис. 3.5. Бесщеточная система возбукждения