Синхронный генератор, устройство, охлаждение, система возбуждения, регулирование частоты сетевого напряжения, способы включения генераторов в энергосистему

Синхронный генератор - это синхронная машина, работающая в режиме генератора в которой частота вращения магнитного поля статора равна частоте вращения ротора. Ротор с магнитными полюсами создает вращающееся магнитное поле, которое пересекая обмотку статора, наводит в ней ЭДС.

В синхронном генераторе ротор выполнен виде постоянного магнита или электромагнита. Число полюсов ротора может быть два, четыре и т.д., но кратно двум. В бытовых электростанциях используется, как правило, ротор с двумя полюсами, чем и обусловлена частота вращения двигателя электростанции 3000 об/мин.

Ротор, при запуске электростанции, создает слабое магнитное поле, но с увеличением оборотов, увеличивается и ЭДС в обмотке возбуждения. Напряжение с этой обмотки через блок автоматической регулировки (AVR) поступает на ротор, контролируя выходное напряжение за счет изменения магнитного поля. Например, подключенная индуктивная нагрузка размагничивает генератор и снижает напряжение, а при подключении емкостной нагрузки происходит подмагничивание генератора и повышение напряжения. Это называется "реакцией якоря". Для обеспечения стабильности выходного напряжения необходимо изменять магнитное поле ротора путем регулирования тока в его обмотке, что и обеспечивается блоком AVR.

Преимуществом таких генераторов является высокая стабильность выходного напряжения, а недостатком - возможность перегрузки по току, так как при завышенной нагрузке, регулятор может чрезмерно повысить ток в обмотке ротора. Еще к недостаткам синхронного генератора можно отнести наличие щеточного узла, который рано или поздно придется обслуживать.

Благодаря такому способу регулировки, вне зависимости от изменения тока нагрузки и оборотов двигателя электростанции стабильность выходного напряжения генератора остается очень высокой, примерно ±1%.

УСТРОЙСТВО СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОв

Статор. Статор синхронного генератора, как и других машин переменного тока, состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали, в пазах которого укладывается обмоткапеременного тока, и станины — чугунного или сварного из листовой стали кожуха.

В выштампованные на внутренней поверхности сердечника пазы укладывается обмотка статора. Статорная обмотка синхронного генератора состоит из трех фаз­ных обмоток и ее выполняют потому же принципу, что и статорную обмотку асинхронного двигателя. Обмотка статора вы­полняется из секций, изготовлен­ных обычно из медных провод­ников круглого или прямоуголь­ного сечения.

Изоляция обмотки выпол­няется особо тщательно, так как машина работает обычно при высоких напряжениях. В каче­стве изоляции применяют миканит и миканитовую ленту.

На рис. 268 дан внешний вид статора синхронного генератора.

Ротор. Роторы синхронных машин по конструкции делятся на два типа: явнополюсные : (т. е. с явно выраженными полюсами) и неявнополюсные (т. е. с неявно выраженными полюсами).

На рис. 269 показаны схемы устройства синхронных генераторов с явнополюсным и неявнополюсным роторами.

Та или иная конструкция ротора диктуется соображениями механической прочности. У современных генераторов, вращающихся от быстроходных двигателей (паровая турбина), окружная скорость ротора может достигать 100—160 м/сек. Поэтому быстроходные генераторы имеют неявнополюсный ротор. Скорость вращения быстро­ходных генераторов составляет 3000 об/мин и 1500 об/мин.

Явнополюсный ротор представляет собой стальную поковку. . К ободу ротора прикрепляются полюсы, на которые надеваются катушки возбуждения, соединяемые последовательно между собой. Концы обмотки возбуждения присоединяются к двум кольцам, укрепленным на валу ротора. На кольца накладываются щетки, к которым присоединяется источник постоянного напряжения. На рис. 270 показан внешний вид явнополюсного ротора. Обычно постоянный ток для возбуждения ротора дает генератор постоянного тока, сидя­щий на одном валу с ротором и называемый возбудителем.

Мощность возбудителя равна 0,25—1 % от номинальной мощности синхронного генератора.

Номинальные напряжения возбудителей

Имеются также синхронные генераторы с самовозбуждением Постоянный ток для возбуждения ротора получается с помощью полупроводниковых выпрямителей, подключаемых к обмотке статора генератора. В первый момент слабое поле остаточного магнетизма вращающегося ротора индуктирует в обмотке статора незначитель­ную переменную э. д. с. Селеновые выпрямители, подключенные к переменному напряжению, дают постоянный ток, который усиливает поле ротора, и напряжение ге­нератора увеличивается.

Неявнополюсный ротор изготовляется из целой стальной поковки, подвер­гаемой сложной термиче­ской и механической обра­ботке. Для примера приве­дем данные ротора турбо­генератора, изготовленно­го заводом «Электросила», мощностью 100 тыс. квт при n —n_н=3000 об/мин. Диаметр ротора D = 0,99 м, длина l==6,35 м. Ок­ружная скорость ротора; 155 м/сек. Поковка ротора в обработанном виде ве­сит 46,5 т.

В осевом направлении по окружности неявнополюсного ротора фрезеруют пазы, куда укладывается обмотка возбуждения. Обмотка в пазах закрепляется при помощи металлических (стальных или бронзовых) клиньев. Лобовые части обмотки закрепляются бандаж­ными металлическими кольцами.

При конструировании электрических машин и трансформаторов большое внимание конструкторы обращают на вентиляцию машин. Для синхронных генераторов применяется воздушное и водородное охлаждение.

Воздушное охлаждение осуществляется при помощи вентилято­ров, укрепленных на валу с обеих сторон ротора (для генераторов мощностью от 1,5 до 50 тыс. кет) или расположенных под машиной в отверстии фундамента (для более мощных генераторов).

Массы холодного воздуха, поступающие для вентиляции, во избежание загрязнения машины пылью проходят через фильтры. При замкнутой системе вентиляции машина охлаждается одним и тем же объемом воздуха. Воздух, пройдя через машину, нагрева­ется и поступает в воздухоохладители, затем снова нагнетается в машину и т. д. Для целей охлаждения служит также система вентиляционных каналов, устро­енных в отдельных частях машины.

Наиболее эффективным способом охлаждения ма­шины является водородное охлаждение. Водород, об­ладающий в 7,4 раза боль­шей теплопроводностью, чем воздух, лучше отводит тепло от нагретых частей машины. Потери на трение о воздух при воздушном ох­лаждении составляют около 50% от суммы всех потерь в машине. Водород имеет удельный вес в 14,5 раза меньше, чем воздух. Поэто­му трение о водород резко уменьшается. Водород спо­собствует также сохране­нию изоляции и лаковых покрытий машины.

Внешний вид явнополюсного синхронного гене­ратора с возбудителем по­казан на рис. 273, а неявно-
полюсного синхронного генератора мощностью 50 тыс. кет — на рис. 274.

Гидрогенераторы приводятся во вращение гидравлическими тур­бинами. Эти турбины чаще всего имеют вертикальный вал с низким числом оборотов. Тихоходный синхронный генератор имеет большое число полюсов и в связи с этим большие размеры.

Так, например, гидрогенератор типа СВ 96 мощностью 50 тыс. квт, изготовленный заводом «Электросила» им. С. М. Кирова, имеет общий вес 1142 т, диаметр статора 14 м, общую высоту 8,9 м, число полюсов 96.

На рис. 275 показана наглядная схема синхронного генератора с возбудителем, питающим силовую и осветительную нагрузку.

На рис. 276 дана электрическая схема соединений синхронного гене­ратора с нагрузкой.

Обмотки статоров синхронных генераторов, как уже указывалось, выполняются так же, как обмотки статоров асинхронных двигателей. Все шесть концов трехфазной обмотки генератора обычно выводятся на его щиток. Соединяя три конца обмоток в одну общую нулевую точку и выводя три начала обмоток во внешнюю сеть, мы получим соединение обмоток звездой. Соединяя конец первой обмотки с нача­лом второй, конец второй с началом третьей, конец третьей с нача­лом первой обмотки и сделав от точек соединений три отвода во внеш­нюю сеть, получим соединение обмоток треугольником.

Статорные обмотки трехфазных генераторов в большинстве случаев соединяют в звезду.

Качество электрической энергии, вырабатываемой генераторами переменного тока, оценивается:

частотой э. д. с, которая должна быть строго равна заданному значению f;

величиной напряжения на зажимах, которое должно быть равно

заданной величине Un;

форма кривой э. д. с. должна быть возможно ближе к синусоиде.

Заданное значение частоты э. д. с. обеспечивается постоянством скорости вращения первичного двигателя. Необходимая величина напряжения Uн достигается регулировкой тока возбуждения. Сину­соидальная форма кривой э. д. с. достигается в явнополюсных машинах увеличением воздушного зазора под краями полюсных на­конечников и другими мерами. В неявнополюсных машинах синусо­идальный характер э. д. с, индуктированной в обмотке статора, обеспечивается соответствующим распределением витков обмотки возбуждения в пазах ротора.