Меню

Почему турбогенераторы вырабатывающие ток стандартной частоты 50 гц имеют как правило одну пару

Синхронные турбо- и гидрогенераторы

Основным элементом электрической части электростанции является синхронный генератор (СГ) переменного тока с трехфазной обмоткой на статоре. В генераторе происходит преобразование механической энергии вращения турбины в электроэнергию. Синхронный генератор является источником как активной (Р, МВт), так и реактивной (Q, Мвар) мощности.

Рассмотрим вкратце принцип действия синхронного генератора вне зависимости от типа турбины.

Структурно СГ состоит из двух основных элементов:

1) неподвижный статор, в котором уложена трёхфазная обмотка переменного тока;

2) вращающийся ротор, в котором уложена обмотка возбуждения постоянного тока.

Обмотка статора подобна неподвижной рамке. Ротор подобен магниту, который вращается внутри рамки. Магнитные свойства ротор приобретает за счёт того, что по его обмотке пропускается постоянный ток. Этот ток подаётся от системы возбуждения. Магнитное поле ротора пронизывает рамку, причем магнитный поток изменяется во времени, так как ротор вращается. Следовательно, по закону электромагнитной индукции Фарадея в рамке создаётся ЭДС. При включении генератора в сеть, то есть при замыкании обмотки статора на некоторую электрическую нагрузку, в этой обмотке будет протекать переменный ток. При этом статор также приобретёт магнитные свойства.

Обмотка статора – трехфазная. Это значит, что в статоре помещены по сути три разные обмотки, уложенные под углом 120° друг к другу. Поэтому протекающие по ним токи тоже являются трехфазными. В этом случае электромагнитное поле статора будет вращаться, причем с той же частотой, что и ротор. Именно поэтому генератор называют синхронным.

Взаимодействие магнитных полей ротора и статора создает электромагнитный момент, направленный в генераторном режиме электрической машины навстречу механическому моменту, созданному паровой, газовой или гидравлической турбиной. В случае равенства этих двух моментов ротор генератора будет вращаться с постоянной скоростью, обеспечивая стабильную частоту ЭДС обмотки статора, совпадающей с частотой напряжения сети. Частота вращения ротора (n, об/мин) связана с частотой синусоидального тока (f, Гц) по формуле:

n = 60f/p,

где р – число пар полюсов ротора.

Минимальное число пар полюсов р = 1, а значит максимальная частота вращения при f = 50 Гц составляет:

n = 60∙50/1 = 3000 об/мин.

При увеличении числа полюсов частота вращения будет снижаться.

Выше изложен общий принцип действия любого синхронного генератора. Рассмотрим далее особенности исполнения и эксплуатации турбо- и гидрогенераторов.

Турбогенераторы применяются на ТЭС и АЭС. В случае ТЭС и АЭС с установками ПТУ на одном валу с ротором генератора вращается паровая турбина, в случае ТЭС с установками ГТУ – газовая турбина. Ось вращения турбогенератора горизонтальная.

Ротор турбогенератора вращается, как правило, с частотой 3000 об/мин (при одной паре полюсов) или реже с частотой 1500 об/мин (при двух парах полюсов). Быстроходность турбогенератора определяет его конструктивные особенности.

Ротор турбогенератора выполняют цельным, в виде стального цилиндра, который называют «бочка ротора». Снаружи этого цилиндра фрезеруют пазы, в которые укладывают обмотку постоянного тока.

При частоте вращения 3000 об/мин длина ротора может достигать 8 м, диаметр – 1,25 м. Максимальная длина определяется прочностью стали на изгиб. Максимальный диаметр ограничен скоростью вращения ротора. При большем диаметре центробежные силы становятся настолько велики, что приводят к пластической деформации стали ротора. Предельные размеры ротора турбогенератора ограничиваются возможностями современной металлургии.

Статор набирают из многочисленных достаточно тонких (толщиной около 0,5 мм) стальных пластин. Их форма позволяет укладывать в образовавшиеся пазы обмотку статора. Между статором и ротором обеспечивается небольшой зазор порядка нескольких см. Чем меньше зазор, тем лучше взаимодействуют магнитные поля ротора и статора, с другой стороны – тем сложнее предотвратить задевание подвижных частей о неподвижные.

Для крупных турбогенераторов характерным является следующий ряд напряжений: 6,3; 10,5; 15,75; 18; 20; 24 кВ. Только отдельные машины с водо-маслянной системой охлаждения, которые выпускает Новосибирский электротехнический завод, типа ТВМ-500УЗ, выполняются на номинальное напряжение 36,75 кВ. Напряжение Uн = 27 кВ вместо Uн = 24 кВ предполагается ввести для мощных блоков с реакторами ВВЭР-1200. Номинальные активные мощности в настоящее время достигают максимальной величины Рн = 1200 МВт.

Параметры турбогенераторов приведены в справочнике [1] (табл. 2.1 на стр. 76).

Далее рассмотрим гидрогенераторы и сравним их с турбогенераторами.

Гидрогенераторы применяются на ГЭС и ГАЭС. Обычно ось вращения гидрогенератора, в отличие от турбогенераторов, вертикальная. Это обусловлено конструктивными особенностями гидротурбин. Из этого правила существуют исключения – например, гидрогенератор капсульного типа.

Гидрогенераторы являются тихоходными машинами. Частота их вращения не превышает, как правило, 600 об/мин. Это обстоятельство определяет конструктивные особенности гидрогенераторов.

Ротор гидрогенератора, в отличие от турбогенератора, выполняют не цельным, а в виде колеса с ободом и спицами. Снаружи этого колеса крепят обмотку постоянного тока ротора.

Диаметр ротора гидрогенератора может достигать 20 м при высоте 5 м. Большой диаметр ротора определяется следующим. Чем меньше скорость вращения ротора, тем больше требуется создать полюсов, чтобы получить частоту 50 Гц. Для возможности размещения большого количества полюсов требуется определённая длина внешней окружности ротора. Так, например, гидрогенераторы Красноярской ГЭС имеют частоту вращения n = 93,8 об/мин, что соответствует числу пар полюсов р = 60∙50/93,8 = 32 или числу полюсов 64. Чтобы разместить такое количество полюсов на ободе, диаметр ротора пришлось принять 16 м.

Статоры мощных гидрогенераторов настолько велики в диаметре, что доставляются на сооружаемую ГЭС не полностью, а в виде отдельных секторов.

Для крупных гидрогенераторов характерным является следующий ряд напряжений: 6,3; 10,5; 13,8; 15,75 кВ. Отдельные машины выполняются на номинальные напряжения 14,4 и 16,5 кВ. Номинальные активные мощности в настоящее время достигают максимальной величины Рн = 640 МВт (агрегаты Саяно-Шушенской ГЭС). Планируется создание гидроагрегатов единичной мощностью Рн = 1000 МВт. Параметры гидрогенераторов приведены в справочнике [1] (табл. 2.2 на стр. 82).

Весьма важной является задача охлаждения генераторов. Во время работы по обмоткам статора и ротора проходят токи, вызывающие их нагрев. Под влиянием этих же токов в генераторе возникает магнитный поток, приводящий к нагреву статора и ротора. Одновременно нагреваются конструктивные части машины – вал, подшипники, подпятники и т. д. Нагрев является главной причиной ускоренного старения изоляции. Для отвода теплоты в статоре и роторе предусматривают вентиляционные каналы и специальные устройства (вентиляторы на валу машины, насосы для подачи охлаждающей жидкости). Охлаждение генераторов может быть воздушным, водородным, водяным, масляным).

По способу отвода тепла различают косвенное и непосредственное охлаждение.

При косвенном охлаждении охлаждающий газ (воздух или водород) с помощью вентиляторов, встроенных в торцы ротора, подаётся внутрь генератора и прогоняется через зазор между статором и ротором и вентиляционные каналы. При этом охлаждающий газ не соприкасается с проводниками обмоток, а выделяемое ими тепло предаётся газу через изоляцию.

При непосредственном – охлаждающее вещество (газ или жидкость) пропускается через специальные внутренние каналы полых проводников и соприкасается с ними непосредственно, минуя изоляцию и сталь зубцов.

Воздушная косвенная система охлаждения применяется для турбогенераторов сравнительно малой мощности и большинство гидрогенераторов. Нагретый в генераторе воздух выбрасывается в воздухоохладитель, а затем поступает обратно в генератор. Обычно применяют замкнутую систему циркуляции, когда один и тот же воздуха проходит через генератор.

Водород обладает более высокими охлаждающими свойствами, чем воздух. Его коэффициент теплопроводности в 7,2 раза выше, а плотность в 14 раз меньше, чем у воздуха, что значительно снижает вентиляционные потери. Изоляция в среде водорода не окисляется, поэтому повышается её срок службы. Водород не поддерживает горения, поэтому при внутренних повреждениях в машине вероятность пожара меньше, чем при воздушном охлаждении. С другой стороны при определённых пропорциях смесь водорода и кислорода становится взрывоопасной. Чтобы исключить опасность образования гремучей смеси, давление водорода в корпусе генератора должно быть несколько выше атмосферного давления окружающего воздуха. Для исключения утечек водорода из корпуса генератора применяются масляные уплотнения между подвижными и неподвижными частями. Для исключения образования гремучей смеси при ремонтах водород сначала вытесняют из корпуса генератора инертным газом (углекислым или азотом), а затем данный газ вытесняется воздухом. Заполнение корпуса водородом производится в обратном порядке.

Ещё более эффективным агентом для охлаждения генераторов является вода, теплоотдача которой превышает в 40-50 раз теплоотдачу воздуха. Дистиллированная вода поступает в полые медные проводники обмоток. Водяное охлаждение обычно комбинируется с водородным, но существует и чисто водяная система охлаждения, получившая название «три воды». В этой системе водой охлаждаются обмотки статора и ротора, а также магнитопровод.

Использование масла кроме задач охлаждения позволяет сэкономить на изоляции обмотки статора – то есть применить сравнительно дешёвую и надёжную бумажно-масляную изоляцию кабельного типа. За счёт этого можно применять более высокое номинальное напряжение генератора. Так, например, генератор ТВМ-500 спроектирован на повышенное напряжение 36,75 кВ, в то время, как у обычных генераторов такой же мощности используется напряжение 20 кВ. Такое увеличение номинального напряжения позволило почти в два раза уменьшить ток статора и соответственно облегчить токоведущие части. Однако из-за сложностей в эксплуатации масляная система охлаждения большого распространения не получила.

Читайте также:  Как бежит постоянный ток

Для турбогенераторов применяют все виды охлаждения. Воздушная система охлаждения турбогенераторов имеет ограничения. Это связано с тем, что гладкий сплошной цилиндр ротора охлаждается только со стороны воздушного зазора.

Гидрогенераторы из-за больших объёмов и трудностей герметизации их корпуса выполняют обычно с воздушным охлаждением. Также выбору воздуха в качестве охладителя способствует тот факт, что гидрогенераторы имеют бóльшую поверхность охлаждения, чем турбогенераторы, из-за большого диаметра ротора. Но при больших мощностях (более 250 МВт), например на генераторах Красноярской ГЭС (агрегаты 500 МВт) применяют водяное охлаждение обмотки статора и воздушное охлаждение сердечника и обмотки ротора.

Дата добавления: 2016-06-15 ; просмотров: 4917 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Лекция 1 (2 часа)

Принципы и способы электромеханического преобразования энергии, устройства для преобразования

В синхронных машинах частоты вращения магнитного поля статора и ротора равны между собой.

Синхронные машины могут работать как генераторами, так и двигателями.

В зависимости от типа привода синхронные генераторы получили и свои названия.

Турбогенератор, — это генератор, приводимый в движение паровой турбиной, гидрогенератор вращает водяное колесо, а дизель — генератор механически связан с двигателем внутреннего сгорания.

Синхронные двигатели широко применяют для привода мощных компрессоров, насосов, вентиляторов.

Синхронные микродвигатели используют для привода лентопротяжных механизмов регистрирующих приборов, магнитофонов и т.д.

КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Статор синхронной машины по конструкции не отличается от статора асинхронного двигателя. В пазах статора размещается трехфазная, двухфазная или однофазная обмотки. Заметное отличие имеет ротор, который принципиально представляет собой постоянный магнит или электромагнит. Это налагает особые требования на геометрическую форму ротора. Любой магнит имеет полюса, число которых может быть два и более. На рис. 6.1.1 приведены две конструкции генераторов, с тихоходным и быстроходным ротором.

Быстроходными бывают, как правило, турбогенераторы. Количество пар магнитных полюсов у них равно единице. Чтобы такой генератор вырабатывал электрический ток стандартной частоты f = 50 Гц, его необходимо вращать с частотой

На гидроэлектростанциях вращение ротора зависит от движения водяного потока. Но и при медленном вращении такой генератор должен вырабатывать электрический ток стандартной частоты f = 50 Гц. Поэтому для каждой гидроэлектростанции конструируется свой генератор, на определенное число магнитных полюсов на роторе. В качестве примера приведем параметры синхронного генератора, работающего на Днепровской ГЭС. Водяной поток вращает ротор генератора с частотой n = 33,3 об / мин. Задавшись частотой f = 50 Гц, определим число пар полюсов на роторе:

Принцип действия синхронного генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Ротор с магнитными полюсами создает вращающееся магнитное поле, которое, пересекая обмотку статора, наводит в ней ЭДС. При подключении к генератору нагрузки генератор будет являться источником переменного тока.

ЭДС СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Величина наводимой в обмотке статора ЭДС количественно связана с числом витков обмотки и скорости изменения магнитного потока:

Переходя к действующим значениям, выражение ЭДС можно записать в виде:

где n — частота вращения ротора генератора, Ф — магнитный поток, c — постоянный коэффициент. При подключении нагрузки напряжение на зажимах генератора в разной степени меняется. Так, увеличение активной нагрузки не оказывает заметного влияния на напряжение. В то же время индуктивная и емкостная нагрузки влияют на выходное напряжение генератора. В первом случае рост нагрузки размагничивает генератор и снижает напряжение, во втором происходит его подмагничивание и повышение напряжения. Такое явление называется реакцией якоря. Для обеспечения стабильности выходного напряжения генератора необходимо регулировать магнитный поток. При его ослаблении машину надо подмагнитить, при увеличении —размагнитить. Делается это путем регулирования тока, подаваемого в обмотку возбуждения ротора генератора.

КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Конструкция синхронного двигателя такая же, как и у синхронного генератора. При подаче тока в трехфазную обмотку статора в нем возникает вращающееся магнитное поле. Частота вращения его определяется формулой:

где f — частота тока питающей сети, р — число пар полюсов на статоре. Ротор, являющийся часто электромагнитом, будет строго следовать за вращающимся магнитным полем, т.е. его частота вращения n2= n1. Рассмотрим принцип действия синхронного двигателя на следующей условной модели (рис. 6.3.1.). Пусть магнитное поле статора будет смоделировано системой вращающихся магнитных полюсов N — S.

Ротор двигателя тоже представляет собой систему электромагнитов S — N, которые «сцеплены» с полюсами на статоре. Если нагрузка на двигателе отсутствует, то оси полюсов статора будут совпадать с осями полюсов ротора ( = 0). Если же к ротору подключена механическая нагрузка, то оси полюсов статора и ротора могут расходиться на некоторый угол. Однако «магнитное сцепление» ротора со статором будет продолжаться, и частота вращения ротора будет равна синхронной частоте статора (n2= n1). При больших значениях ротор может выйти из «сцепления» и двигатель остановится. Главное преимущество синхронного двигателя перед асинхронным — это обеспечение синхронной скорости вращения ротора при значительных колебаниях нагрузки.

СИСТЕМА ПУСКА СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Как мы показали выше, синхронное вращение ротора обеспечивается «магнитным сцеплением» полюсов ротора с вращающимся магнитным полем статора. В первый момент пуска двигателя вращающееся магнитное поле статора возникает практически мгновенно. Ротор же, обладая значительной инерционной массой, прийти в синхронное вращение сразу не сможет. Его надо «разогнать» до подсинхронной скорости каким-то дополнительным устройством. Долгое время роль разгонного двигателя играл обычный асинхронный двигатель, механически соединенный с синхронным. Ротор синхронного двигателя приводится во вращение до подсинхронной скорости. Далее двигатель сам втягивается в синхронизм. Обычно мощность пускового двигателя составляет 5-15 % от мощности синхронного двигателя. Это позволяет пускать в ход синхронный двигатель только вхолостую или при малой нагрузке на валу. Применение пускового двигателя мощностью, достаточной для пуска синхронного двигателя под нагрузкой делает такую установку громоздкой и дорогой. В последнее время используется так называемая система асинхронного пускасинхронных двигателей. С этой целью в полюсные наконечники забивают стержни, напоминающие собою короткозамкнутую обмотку асинхронного двигателя (рис. 6.3.2.1).

В начальный период пуска синхронный двигатель работает как асинхронный, а в последующем — как синхронный. В целях безопасности обмотку возбуждения в начальном периоде пуска закорачивают, а на заключительном подключают к источнику постоянного тока.

РЕАКТИВНЫЙ СИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

В лабораторной практике, в быту и в маломощных механизмах применяют так называемые реактивные синхронные двигатели. От обычных классических машин они отличаются лишь конструкцией ротора. Ротор здесь не является магнитом или электромагнитом, хотя по форме напоминает собой полюсную систему. Принцип действия реактивного синхронного двигателя отличен от рассмотренного выше. Здесь работа двигателя основана, на свободной ориентации ротора таким образом, чтобы обеспечить магнитному потоку статора лучшую магнитную проводимость (рис. 6.4.1).

Действительно, если в какой-то момент времени максимальный магнитный поток будет в фазе А — X, то ротор займет положение вдоль потока ФА. Через 1/3 периода максимальным будет поток в фазе В — У. Тогда ротор развернется вдоль потока ФВ. Еще через 1/3 периода произойдет ориентация ротора вдоль потока. ФС. Так непрерывно и синхронно ротор будет вращаться с вращающимся магнитным полем статора. В школьной практике иногда, при отсутствии специальных синхронных двигателей, возникает необходимость в синхронной передаче. Эту проблему можно решить с помощью обычного асинхронного двигателя, если придать ротору следующую геометрическую форму (рис. 6.4.2).

Этот тип двигателя является машиной постоянного тока, хотя принцип действия его напоминает синхронный реактивный двигатель. Как видно из рис. 6.5.1, статор двигателя имеет шесть пар выступающих полюсов.

Каждые две катушки, расположенные на противоположных полюсах статора, образуют обмотку управления, включаемую, в сеть постоянного тока. Ротор — двухполюсный. Если подключить к источнику постоянного тока катушки полюсов 1 — 1′, то ротор расположится вдоль этих полюсов. Если задействовать катушки полюсов 2 — 2′, а катушки полюсов 1 — 1′ обесточить, то ротор повернется и займет положение вдоль полюсов 2 — 2′. Такой же поворот ротора произойдет, если включить в сеть катушки полюсов 3 — 3′. Так, шагами, ротор будет «следовать» за своей обмоткой управления. Преимуществом шаговых двигателей является то, что в них совершенно отсутствует «самоход». Они поворачиваются и строго фиксируются с шагом, пропорциональным числу полюсов на статоре. Это качество делает его незаменимым в особо точных механизмах (для привода часов, механизмов подачи ядерного топлива в реакторах, в станках с ЧПУ и т.д.). Управление шаговыми двигателями ведется с применением различных электронных устройств (триггеров Шмидта и др.).

Источник



Турбогенератор принцип работы

Турбогенераторы представляют собой основной вид генерирующего оборудования, обеспечивающего свыше 80% общего мирового объема выработки электроэнергии.

Одновременно они являются и наиболее сложным типом электрических машин, в которых тесно сочетаются проблемы мощности, габаритов, электромагнитных характеристик, нагрева, охлаждения, статической и динамической прочности элементов конструкции.

Турбогенератор — неявнополюсный синхронный генератор, основная функция которого состоит в конвертации механической энергии в работе от паровой или газовой турбины в электрическую при высоких скоростях вращения ротора (3000,1500об/мин).

Механическая энергия от турбины конвертируется в электрическую при помощи вращающегося магнитного поля, которое создается током постоянного напряжения, протекающего в медной обмотке ротора, что в свою очередь приводит к возникновению трехфазного переменного тока и напряжения в обмотках статора. В зависимости от систем охлаждения турбогенераторы подразделяются на несколько видов: генераторы с воздушным охлаждением, генераторы с водородным охлаждением и генераторы с водяным охлаждением. Также существуют комбинированные типы, например, генератор с водородно-водяным охлаждением.

Читайте также:  Зависимость тока от оборотов электродвигателя

Конструкция турбогенератора

Турбогенератор — работающий в паре с турбиной синхронный генератор. Основная функция в преобразовании механической энергии вращения паровой или газовой турбины в электрическую. Скорость вращения ротора 3000, 1500 об/мин. Механическая энергия от турбины преобразуется в электрическую посредством вращающегося магнитного поля ротора в статоре. Поле ротора, которое создается током постоянного напряжения, протекающего в медной обмотке ротора, приводит к возникновениютрёхфазного переменного напряжения и тока в обмотках статора. Напряжение и ток на статоре тем больше, чем сильнее поле ротора, т.е. больше ток протекающий в обмотках ротора. Напряжение и ток в обмотках ротора создает тиристорная система возбуждения или возбудитель — небольшой генератор на валу турбогенератора. Турбогенераторы имеют цилиндрический ротор установленный на двух подшипниках скольжения, в упрощенном виде напоминает увеличенный генератор легкового автомобиля. Выпускаются 2-х полюсные (3000 об/мин), 4-х полюсные (1500 об/мин как на Балаковской АЭС), следовательно, имеют высокие частоты вращения и проблемы с этим связанные. По способам охлаждения обмоток турбогенератора различают: с водяным охлаждением (три воды), с воздушным и водородным (чаще применяются на АЭС).

В зависимости от системы охлаждения турбогенераторы подразделяются на несколько типов: с воздушным, масляным, водородным и водяным охлаждением. Также существуют комбинированные типы, например, генераторы с водородно-водяным охлаждением. Также существуют специальные турбогенераторы, к примеру, локомотивные, служащие для питания цепей освещения и радиостанции паровоза. В авиации турбогенераторы служат дополнительными бортовыми источниками электроэнергии. Например, турбогенератор ТГ-60 работает на отбираемом от компрессора авиадвигателя сжатого воздуха, обеспечивая привод генератора трёхфазного переменного тока 208 вольт, 400 герц, номинальной мощностью 60 кВ*А.

Генератор состоит из двух ключевых компонентов — статора и ротора. Но каждый из них содержит большое число систем и элементов. Ротор — вращающийся компонент генератора и на него воздействуют динамические механические нагрузки, а также электромагнитные и термические. Статор — стационарный компонент турбогенератора, но он также подвержен воздействию существенных динамических нагрузок — вибрационных и крутящих, а также электромагнитных, термических и высоковольтных. Первоначальный (возбуждающий) постоянный ток ротора генератора подается на него с возбудителя генератора. Обычно возбудитель соосно соединён упругой муфтой с валом генератора и является продолжением системы турбина-генератор-возбудитель. Хотя на крупных электрических станциях предусмотрено и резервное возбуждение ротора генератора. Такое возбуждение происходит от отдельно стоящего возбудителя. Такие возбудители постоянного тока приводятся в действие своим электродвигателем переменного трехфазного тока и включены как резерв в схему сразу нескольких турбоустановок. С возбудителя постоянный ток подается в ротор генератора посредством скользящего контакта через щётки и контактные кольца. Современные турбогенераторы используют тиристорные системы самовозбуждения.

Работа турбогенератора

Неявнополюсные роторы (рис. 10 и 11) применя­ют в синхронных машинах большой мощности, имеющих частоту вращения п = 1500÷3000 об/мин. Изготовление ма­шин большой мощности с такими частотами вращения при явнополюсной конструкции ротора невозможно по услови­ям механической прочности ротора и крепления полюсов и обмотки возбуждения.

Неявнополюсные роторы имеют главным образом син­хронные генераторы, предназначенные для непосредствен­ного соединения с паровыми турбинами. Такие машины на­зывают турбогенераторами. Турбогенераторы для тепловых электрических станций имеют частоту вращения 3000 об/мин и два полюса, а для атомных станций — 1500 об/мин и четыре по­люса. Ротор турбогенераторов выполняют массивным из цельной стальной поковки. Для роторов турбогенерато­ров большой мощности применяют высококачественную хромоникелевую или хромоникельмолибденовую сталь. По условиям механической прочности диаметр ротора при частоте вращения 3000 об/мин не должен превышать 1,2-1,25 м. Чтобы обеспечить необходимую меха­ническую жесткость, активная длина ротора должна быть не больше 6,5 м.

На рис. 10 дан общий вид, а на рис. 11 — поперечный разрез двухполюсного ротора тур­богенератора.

На наружной поверхности ротора фрезеруют пазы прямоугольной формы, в которые укладывают катушки обмотки возбуждения. Примерно на одной трети полюс­ного деления обмотку не укладывают, и эта часть образует так называемый большой зубец, через который проходит основная часть магнитного потока генератора. Иногда в большом зубце выполняют пазы, которые образуют вен­тиляционные каналы. Из-за больших центробежных сил, действующих на об­мотку возбуждения, ее крепление в пазах производят с по­мощью немагнитных металлических клиньев. Немагнитные клинья ослабляют магнитные потоки пазового рассеяния, которые могут вызывать насыщение зубцов и приводить к уменьшению полезного потока. Пазы большого зубца за­крывают магнитными клиньями. Лобовые части обмотки закрепляют роторными бандажами. Обмотка ротора имеет изоляцию класса В или F. Выводы от обмотки возбуждения подсоединяют к контактным кольцам на роторе. Вдоль оси ротора по всей его длине просверливают цент­ральное отверстие, которое служит для исследования ма­териала центральной части поковки и для разгрузки по­ковки от опасных внутренних напряжений. На рис. 12 дан общий вид турбогенератора. В турбогенераторах функ­цию демпферной обмотки выполняют массивное тело рото­ра и клинья.

Кроме турбогенераторов с неявнополюсным ротором вы­пускают быстроходные синхронные двигатели большой мощности — турбодвигатели.

Турбогенератор мощностью 1200 Мвт (напряжение 24 кв, частота вращения ротора 50 сек —1, кпд 99%).

Большая советская энциклопедия

Турбогенераторы – применение в энергетике

Электрическая станция представляет собой промышленное предприятие, на котором производится электрическая, а в некоторых случаях и тепловая энергия на основе преобразования первичных энергоресурсов. В зависимости от вида природных источников энергии (твердое топливо, жидкое, газообразное, ядерное, водяная энергия) станции подразделяются на тепловые (ТЭС), гидравлические (ГЭС), атомные (АЭС). Станции, на которых одновременно с электрической вырабатывается и тепловая энергия, называют теплоэлектроцентралями (ТЭЦ).

Независимо от типа электростанции ее электрическую часть составляют электрогенераторы – устройства для преобразования первичной энергии (чаще всего механической) в электрическую, а также другие аппараты для преобразования и управления потоком электрической энергии: трансформаторы, выключатели, разъединители.

Для выработки электроэнергии на современных электрических станциях применяют синхронные генераторы трехфазного переменного тока.

Различают турбогенераторы (первичный двигатель – паровая или газовая турбина) и гидрогенераторы (первичный двигатель — гидротурбина).

Турбогенераторы предназначены для непосредственного соединения с паровыми или газовыми турбинами и, так как особенностью этих турбин является их быстроходность, имеют высокую частоту вращения. Чем выше частота вращения турбины, тем меньше ее габариты и больше к. п.д., поэтому естественно стремление повысить быстроходность турбогенераторов. Однако эта быстроходность имеет предел, ограниченный номинальной частотой сети f = 50 Гц и минимальным числом пар полюсов генератора р = 1.

Для синхронных генераторов в установившемся режиме существует строгое соответствие между частотой вращения агрегата n, об/мин, и частотой сети f, Гц

Паровые и газовые турбины выпускают на большие частоты вращения (3000 и 1500 об/мин), так как при этом турбогенераторы имеют наилучшие технико-экономические показатели. На ТЭС, сжигающих обычное топливо, частота вращения агрегатов составляет, как правило, 3000 об/мин, а синхронные генераторы имеют два полюса.

Высокая частота вращения ТГ определяет и особенности его конструкции. Эти генераторы выполняются с горизонтальным расположением ротора. Ротор ТГ работает при больших механических и тепловых нагрузках. Поэтому он изготовляется из цельной поковки специальной высококачественной стали (хромоникелевой или хромоникельмолибденовой), обладающей высокими магнитными и механическими свойствами.

У турбогенераторов ротор, как правило, выполняется неявнополюсным. Вследствие значительной частоты вращения размеры его ограничены: по длине (во избежание прогибов, приводящий к вибрациям) – 6-6,5 м и по диаметру (для снижения окружных усилий при вращении) – 1,1-1,2 м.

В активной части ротора, по которой проходит основной магнитный поток, фрезеруются пазы, заполняемые катушками обмотки возбуждения. В пазовой части обмотки закрепляются немагнитными легкими, но прочными клиньями из дюралюминия. Лобовая часть обмотки, не лежащая в пазах, предохраняется от смещения под действием центробежных сил с помощью бандажа. Бандажи являются наиболее напряженными в механическом отношении частями ротора и обычно выполняются из немагнитной высокопрочной стали.

Турбогенераторы с комбинированным водородно-водяным охлаждением предназначены для работы на атомных электростанциях.

Асинхронные турбогенераторы используются в составе мощных ТЭЦ и в энергосистемах со значительными колебаниями нагрузки.

Асинхронные турбогенераторы также имеют комбинированное водородно-водяное охлаждение.

Турбогенераторы с воздушным и масляным охлаждением применяются на тепловых электростанциях (ТЭС) с различной мощностью.

Классический вариант

Как уже отмечено, в электростанции на дровах используется несколько технологий для получения электричества. Классической среди них является энергия пара, или попросту паровой двигатель.

Здесь все просто – дрова или любое другое топливо сгорая, разогревает воду, в результате чего она переходит в газообразное состояние – пар.

Полученный пар подается на турбину генераторной установки, и за счет вращения генератор вырабатывает электроэнергию.

Поскольку паровой двигатель и генераторная установка соединены в единый закрытый контур, то после прохождения турбины пар охлаждается, снова подается в котел, и весь процесс повторяется.

Такая схема электростанции – одна из самых простых, но у нее имеется ряд существенных недостатков, одним из которых является взрывоопасность.

Читайте также:  Основная характеристика электрического тока является сила тока

После перехода воды в газообразное состояние давление в контуре значительно повышается, и если его не регулировать, то высока вероятность порыва трубопроводов.

И хоть в современных системах применяются целый набор клапанов, регулирующих давление, но все же работа парового двигателя требуется постоянного контроля.

К тому же обычная вода, используемая в этом двигателе, может стать причиной образования накипи на стенках труб, из-за чего понижается КПД станции (накипь ухудшает теплообмен и снижает пропускную способность труб).

Но сейчас эта проблема решается использованием дистиллированной воды, жидкостей, очищенных примесей, выпадающих в осадок, или же специальных газов.

Но с другой стороны эта электростанция может выполнять еще одну функцию – обогревать помещение.

Здесь все просто – после выполнения своей функции (вращения турбины) пар необходимо охладить, чтобы он снова перешел в жидкое состояние, для чего нужна система охлаждения или попросту – радиатора.

И если разместить этот радиатор в помещении, то в итоге от такой станции получим не только электроэнергию, но еще и тепло.

Каково устройство паровых и газовых турбин

Наилучшим качеством, которое стало важнейшим преимуществом паровой турбины, является то, что она не требует какого-либо соединения с валом электрического генератора. Также это устройство отлично справлялось с перегрузками, и его легко можно было регулировать по частоте вращения. Коэффициент полезного действия у таких агрегатов также довольно высок, что в сочетании с другими преимуществами и вывело их на передний план, если возникала необходимость соединения с электрическими генераторами. Таким же является и устройство паровой турбины AEG.

Схожими объектами стали и газовые турбины. Если рассматривать эти приспособления с точки зрения конструкции, то они практически ничем не отличаются. Как и паровая турбина, газовая является машиной лопаточного типа. Кроме этого, в обоих агрегатах вращение ротора достигается за счет того, что происходит трансформация кинетической энергии потока рабочего вещества.

Существенное отличие между этими установками заключается как раз в типе рабочего вещества. Естественно, что в паровой турбине таким веществом является водяной пар, а в газовой установке — это газ, который чаще всего получен при сжигании каких-либо продуктов, либо является смесью пара и воздуха. Еще одно отличие заключается в том, что для образования этих рабочих веществ необходимо иметь разное дополнительное оборудование. Таким образом, получается, что сами по себе турбины очень похожи, но установки, образующиеся на объектах вокруг них, довольно сильно отличаются.

Паровая турбина с конденсатом

Конденсационные устройства и паровые турбины Лосев С. М. описывал в своей книге, выпущенной в 1964 году. Издание содержало теорию, конструкцию и эксплуатацию паровых установок, а также конденсационных агрегатов.

Турбинная установка, которая находится в котле, имеет три среды — вода, пар и конденсат. Эти три вещества образуют между собой некий замкнутый цикл

Тут важно отметить, что в такой среде во время преобразования теряется достаточно малое количество пара и жидкости. Чтобы компенсировать небольшие потери, в установку добавляют сырую воду, которая перед этим проходит водоочистительное устройство

В этом агрегате жидкость подвергается воздействию различных химикатов, основное предназначение которых в удалении ненужных примесей из воды.

Принцип работы в таких установках следующий:

  • Пар, который уже отработал и обладает пониженным давлением и температурой, попадает из турбины в конденсатор.
  • При прохождении этого участка пути имеется большое количество трубок, по которым непрерывно качается охлаждающая вода при помощи насоса. Чаще всего эта жидкость берется из рек, озер или прудов.
  • В момент соприкосновения с холодной поверхностью трубки отработавший пар начинает образовывать конденсат, так как его температура все еще выше, чем в трубах.
  • Весь скопившийся конденсат постоянно поступает в конденсатор, откуда он непрерывно откачивается насосом. После этого жидкость передается в деаэратор.
  • Из этого элемента вода снова поступает в паровой котел, где превращается в пар, и процесс начинается сначала.

Источник

Конструкции синхронных генераторов

Фактически вся промышленная электрическая энергия в стране вырабатывается на тепловых (ТЭС), гидравлических (ГЭС) и атомных (АЭС) электростанциях. В разных странах доля электроэнергии, производимой на различного вида электростанциях, неодинакова. В России в настоящее время тепловые электростанции дают примерно (69—70) %, атомные и гидравлические — по 15 % общего количества электроэнергии. Стоимость единицы вырабатываемой электроэнергии на каждом из этих трех видах станций может резко различаться. Различны капитальные затраты при их сооружении, расходы на эксплуатацию, уровень автоматизации, степень надежности, зависимость от сезона и особенностей их климатического и географического расположения и многих других обстоятельств. Объединяет их только одно. Они обязаны вырабатывать ток стандартной частоты 50 периодов в секунду, или 50 Гц, необходимого уровня напряжения для той сети, к которой присоединяются электрические машины, работающие в режиме генераторов переменного тока, установленных на каждой из станций. Абсолютное равенство частот напряжения сотен одновременно работающих генераторов может быть обеспечено только одним — специальным типом этих электрических машин — синхронными генераторами, т.е. работающими одновременно, в ритме единого времени, со строго определенными частотами вращения своих подвижных частей, называемых роторами.

Следует отметить, что все электрические машины обладают свойством обратимости. Любой электрический генератор может работать как двигатель, т.е. преобразовывать электрическую энергию в механическую. На каждой электростанции установлено большое число электродвигателей, удовлетворяющих собственные нужды станции.

Синхронные генераторы (СГ), предназначенные для преобразования механической энергии паровой, газовой или гидравлической турбины, вращающей ротор СГ, в электрическую энергию, имеют неподвижную часть, называемую статором.

Подвижная часть генератора (ротор) может быть выполнена с сосредоточенной обмоткой. В этом случае ротор и сам генератор называются явнополюсными. Если обмотка ротора является распределенной, ротор и генератор называются неявнополюсными.

На рис. 7.1 схематично показано поперечное сечение синхронной явнополюсной машины с четырьмя полюсами на роторе 2 чередующейся полярности N-S-N-S. Сосредоточенная обмотка возбуждения 4, размещенная на роторе, обтекается постоянным током, возбуждающим магнитное поле ротора. Ротор приводится во вращение источником механической энергии. Чаще всего — это паровая, газовая или гидравлическая турбина, создающая механический вращающий момент. Частота вращения турбины может быть различной — в диапазоне от десятков до сотен и даже тысяч оборотов в минуту: ниже для гидравлических турбин и выше для остальных видов. Постоянный ток на вращающуюся обмотку возбуждения 4 подается через контактные кольца 5. При вращении ротора магнитное поле обмотки возбуждения перемещается относительно неподвижной обмотки статора 3, размещенной в пазах сердечника статора 1, что вызывает (индуктирует) в обмотке электродвижущую силу (ЭДС). Частота ЭДС f1 равна произведению частоты вращения ротора n2 в оборотах в секунду на число пар полюсов ротора р (на рис. 3.1 p = 2, т.е. число полюсов 2р = 4), отсюда

Синхронные генераторы, вращаемые паро- и газо­выми турбинами, назы­ваются турбо­генера­торами, а враща­емые гидрав­лическими тур­бинами — гидро­генера­торами.

Большинство турбогенераторов страны имеют число пар полюсов равное единице, значит для сети 50 Гц n2 = f1/р = 50 об/с или n2 = 60f1/р = 3000 об/мин. Для стран, где принята частота напряжения 60 Гц (США, Япония и др.), частота вращения ротора составит 3600 об/мин. Для генераторов с большим, чем единица, числом пар полюсов частота вращения роторов будет частным от деления 3000 (или 3600) на число пар полюсов, об/мин:

1500, 1000, 750, 600 и т.д. (для 50 Гц)

1800, 1200, 900, 720 и т.д. (для 60 Гц).

Внешний вид явнополюсного ротора (2р = 12) и его поперечный разрез представлены на рис. 7.2 и рис. 7.3.

Неявнополюсный ротор, у которого обмотка возбуждения не сосредоточенная, а распределенная по пазам, показан на рис. 7.4 и 7.5.

Такие роторы характерны для турбогенераторов, при этом число пар полюсов равно единице, реже — двум. Явнополюсная синхронная машина, приводимая во вращение гидравлической турбиной, т.е. гидрогенератор (рис. 7.6), чаще всего имеет вертикально ориентированный вал и «подвешена» на подпятник, воспринимающий не только массы генератора, гидротурбины, но и осевое давление воды на лопасти гидротурбины.

Турбогенератор, вращаемый паровой или газовой турбиной, имеет горизонтально расположенный вал (рис. 7.7), опирающийся на два подшипника скольжения.

Разрезы гидро- и турбогенераторов приведены на рис. 7.8 и 7.9.

Масса электрической машины возрастает с уменьшением частоты ее вращения. Гидрогенераторы имеют частоту вращения примерно в 6—60 раз меньшую, чем турбогенераторы. Эта разница обусловлена различием типов применяемых в этих машинах паровых, газовых и гидравлических турбин, а также зависит от характера используемых для ГЭС водных источников (расход воды, уклон водопотока, рельеф местности при учете экономической целесообразности эксплуатируемой зоны). Из-за более низких частот вращения гидроагрегатов общие массы гидрогенераторов достигают 1,5—2 тыс. т и в несколько раз превышают массы аналогичных по мощности турбогенераторов, делая невозможным применение горизонтального расположения валов с более простыми подшипниками скольжения.

Диаметры роторов турбогенераторов на 3000 об/мин не превышают 1,1—1,25 м при длине ротора до 8 м. Роторы гидрогенераторов достигают в диаметре 15—20 м при длине до 5 м.

Дата добавления: 2014-12-21 ; просмотров: 2702 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник