Ako sú usporiadané synchrónne turbá a hydrogenerátory?
Vo vodných elektrárňach sú generátory poháňané vodnými turbínami, ktoré sa otáčajú rýchlosťou 68 až 250 ot./min.. V tepelných elektrárňach elektrickú energiu vyrábajú turbínové agregáty pozostávajúce z parnej turbíny a turbínového generátora. Pre lepšie využitie energie pary sú turbíny konštruované ako vysokorýchlostné turbíny s otáčkami 3000 ot./min.Tepelné elektrárne sú dostupné aj vo veľkých priemyselných podnikoch.
Alternátory majú jednoduchší dizajn a môžu byť vyrobené s výrazne vyšším výkonom ako generátory jednosmerného prúdu.
Väčšina synchrónnych strojov používa obrátený dizajn v porovnaní s DC stroje, t.j. budiaci systém je umiestnený na rotore a vinutie kotvy na statore. Je to spôsobené tým, že je jednoduchšie dodávať relatívne nízky prúd do budiacej cievky cez klzné kontakty, ako privádzať prúd do pracovnej cievky. Magnetický systém synchrónneho stroja je znázornený na obr. 1.
Budiace póly synchrónneho stroja sú umiestnené na rotore.Pólové jadrá elektromagnetov sa vyrábajú rovnakým spôsobom ako v strojoch na jednosmerný prúd. Na stacionárnej časti, statore, je jadro 2, vyrobené z izolovaných plechov z elektroocele, v kanáloch ktorého je pracovná cievka na striedavý prúd - zvyčajne trojfázový.
Ryža. 1. Magnetický systém synchrónneho stroja
Keď sa rotor otáča, vo vinutí kotvy sa indukuje striedavé emf, ktorého frekvencia je priamo úmerná rýchlosti rotora. Striedavý prúd pretekajúci pracovnou cievkou vytvára vlastné magnetické pole. Rotor a pole pracovnej cievky sa otáčajú rovnakou frekvenciou — synchrónne… V motorickom režime nesie rotujúce pracovné pole so sebou magnety budiaceho systému a v režime generátora naopak.
Ďalšie podrobnosti nájdete tu: Účel a usporiadanie synchrónnych strojov
Zvážte navrhnutie najvýkonnejších strojov — turbá a hydrogenerátorov... Turbínové generátory sú poháňané parnými turbínami, ktoré sú najhospodárnejšie pri vysokých rýchlostiach. Preto sa turbínové generátory vyrábajú s minimálnym počtom pólov budiaceho systému — dvoma, čo zodpovedá maximálnej rýchlosti otáčania 3000 ot./min. pri priemyselnej frekvencii 50 Hz.
Hlavným problémom konštrukcie turbogenerátorov je vytvorenie spoľahlivého stroja s hraničnými hodnotami elektrického, magnetického, mechanického a tepelného zaťaženia. Tieto požiadavky zanechávajú odtlačok na celom dizajne stroja (obr. 2).
Ryža. 2. Celkový pohľad na turbínový generátor: 1 — zberacie krúžky a kefový aparát, 2 — ložisko, 3 — rotor, 4 — pás rotora, 5 — vinutie statora, 6 — stator, 7 — vinutia statora, 8 — ventilátor.
Rotor turbínového generátora je vyrobený vo forme plného výkovku s priemerom do 1,25 m, dĺžkou do 7 m (pracovná časť). Celková dĺžka výkovku s prihliadnutím na hriadeľ je 12 — 15 m Na pracovnej časti sú vyfrézované kanály, v ktorých je umiestnená budiaca cievka. Takto sa získa valcový bipolárny elektromagnet bez jasne definovaných pólov.
Pri výrobe turbínových generátorov sa využívajú najnovšie materiály a konštrukčné riešenia, najmä priame chladenie aktívnych častí prúdmi chladiaceho činidla - vodíka alebo kvapaliny.Pre získanie vysokého výkonu je potrebné zväčšiť dĺžku stroja, čo mu dodáva veľmi zvláštny vzhľad.
Hydrogenerátory (obr. 3) sa konštrukciou výrazne líšia od turbínových generátorov. Účinnosť prevádzky hydraulickej turbíny závisí od rýchlosti prúdenia vody, t.j. úsilie. Na ploché rieky nie je možné vytvoriť vysoký tlak, preto sú otáčky turbíny veľmi nízke - od desiatok do stoviek otáčok za minútu.
Na získanie priemyselnej frekvencie 50 Hz musia byť takéto nízkorýchlostné stroje vyrobené s veľkým počtom pólov. Pre umiestnenie veľkého počtu pólov je potrebné zväčšiť priemer rotora hydrogenerátora, niekedy až na 10-11 m.
Ryža. 3. Pozdĺžny rez dáždnikovým generátorom vodíka: 1 — náboj rotora, 2 — veniec rotora, 3 — pól rotora, 4 — jadro statora, 5 — vinutie statora, 6 — priečny nosník, 7 — brzda, 8 — axiálne ložisko, 9 — puzdro rotora.
Vybudovanie výkonných turbodúchadiel a hydrogenerátorov je inžinierska výzva.Je potrebné vyriešiť množstvo otázok mechanických, elektromagnetických, tepelných a ventilačných výpočtov a zabezpečiť vyrobiteľnosť konštrukcie vo výrobe. Tieto úlohy zvládnu len výkonné dizajnérske a výrobné tímy a spoločnosti.
Štruktúry rôznych typov sú veľmi zaujímavé. synchrónne mikrostroje, v ktorej sa hojne využívajú permanentné magnety a reaktívne systémy, t.j. systémy, v ktorých pracovné magnetické pole neinteraguje s budiacim magnetickým poľom, ale s feromagnetickými vystupujúcimi pólmi rotora, ktoré nemajú vinutie.
No hlavnou technologickou oblasťou, kde dnes synchrónne stroje nemajú konkurenciu, je energetika. Všetky generátory v elektrárňach, od najvýkonnejších až po mobilné, sú založené na synchrónnych strojoch.
Ako pre synchrónne motory, potom je ich slabým miestom problém so spustením. Synchrónny motor sám o sebe zvyčajne nedokáže akcelerovať. K tomu je vybavený špeciálnou štartovacou cievkou pracujúcou na princípe asynchrónneho stroja, čo komplikuje konštrukciu a samotný proces štartovania. Synchrónne motory sú preto všeobecne dostupné v stredných až vysokých výkonových triedach.
Na obrázku nižšie je znázornená konštrukcia turbínového generátora.
Rotor 1 generátora je vyrobený z oceľového výkovku, v ktorom sú vyfrézované drážky pre budiacu cievku, poháňanú špeciálnym jednosmerným strojom 10, nazývaným budič. Prúd do vinutia rotora je privádzaný cez zberacie krúžky uzavreté krytom 9, k nim sú pripojené vodiče vinutia rotora.
Pri otáčaní rotor vytvára veľkú odstredivú silu.V drážkach rotora je vinutie držané kovovými klinmi a oceľové poistné krúžky 7 sú pritlačené k predným častiam.
Stator je zostavený z lisovaných plechov 2 zo špeciálnej elektroocele, ktoré sú vystužené v ráme 3 zvarenom z oceľového plechu. Každý statorový list sa skladá z niekoľkých častí, nazývaných segmenty, ktoré sú upevnené 4 skrutkami.
V kanáloch statora je položená cievka 6, v ktorej drôtoch sa pri otáčaní rotora indukujú elektromotorické sily. Elektromotorické sily sériovo zapojených vodičov vinutia sa zvyšujú a na svorkách 12 sa vytvára napätie niekoľko tisíc voltov. Keď prúdy pretekajú medzi drôtmi vinutia, vznikajú veľké sily. Preto sú predné časti vinutia statora spojené krúžkami 5.
Rotor sa otáča v ložiskách 8. Medzi ložiskom a základovou doskou je uložená vypínacia izolácia, cez ktorú je možné uzatvárať ložiskové prúdy. Druhé ložisko je vyrobené spolu s parnou turbínou.
Na chladenie generátora je stator rozdelený na samostatné balíky, medzi ktorými sú umiestnené vetracie kanály. Vzduch je poháňaný ventilátormi 11 namontovanými na rotore.
Na chladenie výkonných generátorov je potrebné pretlačiť cez ne obrovské množstvo vzduchu dosahujúce desiatky metrov kubických za sekundu.
Ak je chladiaci vzduch odoberaný z priestorov stanice, potom s prítomnosťou najmenšieho množstva prachu (niekoľko miligramov na meter kubický) v ňom bude generátor v krátkom čase kontaminovaný prachom. Preto sú turbínové generátory postavené s uzavretým ventilačným systémom.
Vzduch, ktorý sa ohrieva pri prechode ventilačnými kanálmi generátora, vstupuje do špeciálnych vzduchových chladičov umiestnených pod plášťom generátora turbíny.
Tam ohriaty vzduch prechádza medzi rebrované rúrky vzduchového chladiča, cez ktoré prúdi voda, a ochladzuje sa. Vzduch sa potom vracia k ventilátorom, ktoré ho poháňajú cez ventilačné potrubie. Týmto spôsobom je generátor neustále chladený rovnakým vzduchom a prach sa nemôže dostať dovnútra generátora.
Rýchlosť po obvode rotora turbínového generátora presahuje 150 m / s. Pri tejto rýchlosti sa vynakladá veľké množstvo energie na trenie rotora vo vzduchu. Napríklad v turbínovom generátore s výkonom 50 000 kWVt sú energetické straty spôsobené trením vzduchu 53 % súčtu všetkých strát.
Na zníženie týchto strát je vnútorný priestor výkonných turbínových generátorov naplnený nie vzduchom, ale vodíkom. Vodík je 14-krát ľahší ako vzduch, to znamená, že má podobne nižšiu hustotu, vďaka čomu sú výrazne znížené trecie straty rotora.
Aby sa predišlo výbuchu kyslíka vodíka, vytvoreného zo zmesi vodíka a kyslíka vo vzduchu, je vo vnútri generátora nastavený vyšší ako atmosférický tlak. Preto atmosférický kyslík nemôže preniknúť do generátora.
3D model generátora parnej turbíny:
Vzdelávacia páska vytvorená továrňou na školské potreby v roku 1965:
Synchrónne generátory
