1.2. Назначение синхронных машин

Синхронные машины в основном используют в качестве генераторов, преобразующих механическую энергию в электрическую.

Генераторы, приводимые во вращение паровыми или газовыми турбинами, называют турбогенераторами и устанавливают на тепловых (ТЭС) и атомных (АЭС) электрических станциях. В России выпускают турбогенераторы активной мощностью от единиц до 1200 МВт. При частоте напряжения 50 Гц изготавливают турбогенераторы для ТЭС двухполюсные с частотой вращения ротора n = 50 об/с (3000 об/мин), для АЭС – в основном четырехполюсные с n = 25 об/с (1500 об/мин).

Большая частота вращения ротора приводит к значительным механическим напряжениям. Поэтому ротор выполняют в виде цельнокованого цилиндра из высокопрочной магнитной стали с фрезерованными на поверхности радиальными пазами. По условиям механической прочности диаметры роторов современных турбогенераторов для ТЭС не превышают 1,25 м, и повышение мощности генераторов исторически осуществлялось, в первую очередь, увеличением их длины. Этим обусловлена компоновка турбогенераторов как машин горизонтального исполнения с параллельной поверхности земли осью вала.

Для защиты обмоток от загрязнения пылью, парами масла и другими веществами, содержащимися в окружающем воздухе, для турбогенераторов с воздушным охлаждением используют замкнутую систему вентиляции. При этом в машине циркулирует один и тот же объём очищенного воздуха, который охлаждается в установленных под генератором воздухоохладителях.

Применяется нагнетательная система вентиляции, которая обеспечивает избыточное давление воздуха внутри корпуса вследствие чего наружный воздух не может попасть корпуса внутрь машины.

Возможность повышения мощности путём увеличения длины активной части машины была практически исчерпана в 1930–1940 годах, когда в 1937 году в СССР был построен турбогенератор с косвенным возушным охлаждением мощностью 100 МВт. Этот генератор до сих пор остается крупнейшим в мире из машин данного класса. В этой машине было достигнуто характерное для самых мощных современных турбогенераторов соотношение размеров ротора: активная длина ротора примерно в 5,5 раза больше его диаметра, равного 1 м.

Наибольшая активная длина ротора ограничена допустимым прогибом вала, вибрациями и не превышает у мощных современных машин 7,5–8,5 м. Зазор между статором и ротором достигает 0,1–0,15 м. Длина ротора в 3–6 раз превышает диаметр.

Поэтому дальнейший прогресс турбогенераторостроения был связан с совершенствованием охлаждения активных частей (магнитопровода и обмоток), и в первую очередь, с применением водородного охлаждения.

Большая, чем у воздуха, теплоёмкость водорода позволяет улучшить отвод тепла от магнитопроводов и обмоток, и увеличить на 10–20 % плотность тока в обмотках и соответственно мощность машины не изменяя её габариты.

Вследствие меньшей плотности водорода снижаются механические потери мощности и на 0,5–1,2 % повышается КПД машины. При коронировании в среде водорода не образуется озон, оказывающий разрушающее действие на изоляцию, и срок службы изоляции обмоток увеличивается. Снижается опасность пожара, так как водород не поддерживает горение.

Поэтому в настоящее время воздушное охлаждение применяют в турбогенераторах мощностью до 25 МВт включительно. При больших мощностях используют водородное охлаждение.

Чтобы предотвратить проникновение наружного воздуха внутрь корпуса и исключить возможность взрыва при образовании смеси водорода с воздухом корпуса турбогенераторов, заполненных водородом, выполняют газонепроницаемыми. С той же целью давление водорода внутри корпуса должно быть выше атмосферного (не менее 0,105 МПа). Толщина обшивки, торцевых стенок корпуса и торцевых щитов больше чем при воздушном охлаждении, чтобы давление взрыва, если он произойдёт, не повредило машину. Оболочка и торцевые щиты должны выдерживать в течение 15 мин избыточное давление 0,8 МПа.

Для предотвращения выхода водорода из корпуса вдоль вала предусмотрены уплотнения вала между торцевым щитом и подшипником. В связи со сложностью герметизации соединений в машинах с водородным охлаждением секции газоохладителей размещают внутри корпуса горизонтально концентрически вокруг сердечника статора или вертикально в концевых частях корпуса. В остальном турбогенераторы с косвенным водородным и воздушным охлаждением конструктивно подобны.

В 1951–1952 годах в США и СССР были построены турбогенераторы с косвенным водородным охлаждением максимальной мощностью 150 МВт при избыточном давления водорода 0,2 МПа. Дальнейшее повышения давления водорода при косвенном охлаждении не дает заметного снижения температуры обмоток, что сделало невозможным увеличение плотности тока в обмотках и мощности при косвенном охлаждении.

Дальнейшее увеличение мощности было достигнуто с применением непосредственного охлаждения, при котором охлаждающее вещество не-посредственно соприкасается с проводниками обмоток. Для этого часть проводников выполняют полыми или делают специальные каналы в обмотках. В качестве охлаждающей среды используют водород, дистиллированную воду или масло, циркулирующие внутри обмоток. Применение непосредственного охлаждения позволило к 1970–1980 годам почти в 10 раз (до 1200 МВт) увеличить мощность турбогенераторов и довести их КПД до 98,85 % при почти неизменных размерах активных частей.

Поэтому в настоящее время косвенное водородное охлаждение применяют в генераторах мощностью до 100 МВт. Более мощные генераторы с косвенным водородным охлаждением были модернизированы и переведены на непосредственное охлаждение.

Обозначение турбогенератора содержит три позиции: 1 – 2 – 3.

Позиция 1 характеризует тип машины (Т – турбогенератор), серию и способ охлаждения:

Т – косвенное воздушное охлаждение обмоток;

ТВ – косвенное водородное охлаждение обмоток;

ТВФ – непосредственное охлаждение обмотки возбуждения и косвенное охлаждение обмотки якоря водородом;

ТГВ – непосредственное охлаждение обмоток возбуждения и якоря вдородом (ТГВ-200-2, ТГВ-300-2) или водой (ТГВ-500-2, ТГВ-800-2);

ТВВ – непосредственное охлаждение обмотки возбуждения водородом, обмотки якоря – водой;

Т3В – непосредственное водяное охлаждение обмоток возбуждения, якоря и сердечника статора.

ТВМ – непосредственное охлаждение обмотки ротора водяное, обмотки и сердечника статора – масляное погруженного исполнения.

После буквенного обозначения может стоять номер серии, например: ТВ и ТВ2 – старая и новая серии генераторов с косвенным водородным охлаждением, выпускавшиеся в 50-х годах ХХ века.

Позиция 2 обозначает номинальную активную мощность турбогенератора в МВт, позиция 3 – число полюсов 2р, после которого указывают климатическое исполнение и категорию размещения.

Пример расшифровки обозначения турбогенератора:

ТВВ-800-2У3 – турбогенератор с непосредственным охлаждением обмоток: ротора – водородом, статора – водой; мощностью 800 МВт, двухполюсный, для эксплуатации в условиях умеренного климата (У) в закрытом помещении без искусственно регулируемых климатических условий (3).

Корпус большинства машин с непосредственным охлаждением обмоток заполнен водородом при избыточном давлении от 0,2 до 0,4 МПа.

Турбогенераторы являются одним из наиболее совершенных видов машин, и составляют 81–82 % мощности всех установленных в России генераторов. На оснащенных турбогенераторами электростанциях производится от 80 до 90 % всей вырабатываемой в России электроэнергии.

Генераторы, приводимые во вращение гидравлическими турбинами, называют гидрогенераторами и устанавливают на гидравлических электрических станциях (ГЭС). В России строят гидрогенераторы активной мощностью до 640 МВт на частоту напряжения 50 Гц. Относительно малая скорость вращения гидравлических турбин определяет низкую частоту вращения роторов от 1 до 8–9 обс (от 50 до 500–600 об/мин).

Роторы обычно явнополюсные с большим числом полюсов 2р от 12 до 116. Поэтому диаметр активной части ротора современного гидрогенератора достигает 16–17 м и в 5–10 раз превышает его длину. Наружный диаметр корпуса достигает 20 м, высота – 13 м, масса машины часто превышает 1500 т. Из-за этого практически невозможно обеспечить необходимые жесткость статора и ротора, а также грузоподъёмность подшипников при горизонтальном исполнении. Поэтому большинство гидрогенераторов выполняют с вертикальным расположением вала (рис. 1.8, а, б).

В ертикальные гидрогенераторы условно делят на подвесные с подпятником, установленным выше ротора (рис. 1.8, а), и зонтичные – с подпятником ниже ротора (рис. 1.8, б).

Подпятник представляет собой упорный подшипник скольжения, помещенный в ванну с минеральным маслом, служащим для смазки и охлаждения трущихся поверхностей. Масляную ванну с подпятником устанавливают в грузонесущей крестовине. Масло охлаждается встроенными в ванну водяными маслоохладителями.

Вращающаяся часть подпятника (пята) состоит из закрепленной на валу втулки 5, с установленным на нижней части втулки диском (зеркалом) 6 (рис. 1.8, а, б).

Диск в виде кольца прямоугольного сечения делают из высокопрочной, твердой стали; торцевую поверхность скольжения диска обрабатывают с высокими точностью и классом чистоты.

Неподвижная часть (собственно подпятник) состоит из самоустанавливающихся сегментов 7 трапецеидальной формы, изготавливаемых разрезанием по радиусам стального кольца прямоугольного сечения. На поверхность трения сегментов наносят слой антифрикционного сплава – баббита, после чего выполняют чистовую обработку поверхности трения. Сегменты установлены в масляной ванне.

Вертикальные усилия ротора через вращающуюся пяту 6 и неподвижные сегменты 7 передаются опорной крестовине и далее через корпус (рис. 1.8, а) или непосредственно (рис. 1.8, б) фундаменту.

Радиальные усилия, действующие на ротор, воспринимают один или два направляющих подшипника скольжения 4 (рис. 1.8) радиального типа. В нормальных режимах эти усилия незначительны, но сильно возрастают при авариях. Неподвижная часть направляющих подшипников со- стоит из охватывающих втулку вала самоустанавливающихся сегментов с баббитовой заливкой рабочей поверхности. Сегменты установлены в кольцевом корпусе и погружены в масло, смазывающее поверхности трения. Корпус подшипника и масляный бак закреплены на крестовине, через которую радиальные усилия передаются корпусу статора или фундаменту(рис. 1.8). При возможности направляющий подшипник и подпятник объединяют в один конструктивный узел с общей масляной ванной. Число направляющих подшипников определяется жесткостью вала.

В верхней крестовине 3 (рис. 1.8, б) генераторов зонтичного типа размещают только направляющий подшипник 4. Поэтому верхнюю крестовину делают облегченной и небольшой высоты. Высота верхней части машины, выступающей над полом машинного зала, меньше чем при подвесного исполнения, что позволяет уменьшить высоту машинного зала.

Различают две основные конструкции зонтичных гидрогенераторов по месту установки подпятника: на нижней опорной крестовине (рис. 1.8, б) и на крышке турбины (рис. 1.9). В последнем случае отпадает необходимость в тяжелой нижней грузонесущей крестовине и уменьшается длина вала. Вследствие этого высота и масса зонтичного генератора меньше, чем у машины подвесного типа. Уменьшение общей высоты агрегата снижает стоимость строительства здания ГЭС. Монтаж зонтичного генератора проще, так как центровка статора и вала выполняется независимо.

В вертикальном гидрогенераторе (рис. 1.9) статор 11 с магнитопроодом и обмоткой опирается на стальные фундаментные плиты 13, залитые в фундамент. Внутри статора находится ротор с валом.

Вал выполняют в виде единой детали или составным из центральной втулки 20 и двух надставок 19, 21 (рис. 1.9). Такую (безвальную) конструкцию применяют в зонтичных гидрогенераторах.

К центральной втулке прикреплены радиальные спицы 7, сваренные из толстолистовой стали. На спицах зафиксирован обод 8, собранный из стянутых шпильками стальных сегментов. Полюсы 10 крепят к ободу ротора с помощью Т-образных хвостов, вставляемых в пазы обода соответствующей формы.

Снизу к ободу 8 стяжными шпильками крепят тормозные сегменты 15 из стали. На фундаменте или нижней крестовине размещают равномерно по окружности машины пневматические тормоза-домкраты 16, служащие для быстрого механического торможения ротора. Воздух в цилиндры тормозов 16 подают после достижения ротором небольшой частоты вращения, при которой исчезает масляный клин между пятой и сегментами подпятника и трение становится полусухим, что вызывает быстрый износ подпятника. Тормоза 16 используют также для подъёма ротора, подавая в цилиндры минеральное масло под давлением до 10 МПа.

Масляная ванна 17 с подпятником установлена на подставке 18, опирающейся на крышку турбины. Верхний направляющий подшипник 4 генератора размещен в верхней крестовине.

Для питания обмотки возбуждения полюсов ротора в гидрогенераторах относительно небольшой мощности (до 50–70 МВт) применяют генераторы постоянного тока с самовозбуждением, называемые возбудителями.

Якорь возбудителя обычно размещают на валу гидрогенератора над верхней крестовиной или в ней при отсутствии верхнего направляющего подшипника у машин зонтичного исполнения.

Для возбуждения гидрогенераторов мощностью 70–100 МВт и более используют вспомогательные синхронные генераторы с последующим выпрямлением переменного напряжения обмотки якоря. Вспомогательный генератор 6 (рис. 1.9) выполняют с тем же числом полюсов, что и гидрогенератор, и размещают между ротором и верхней крестовиной.

Выпрямленное напряжение вспомогательного генератора или постоянное напряжение с якоря возбудителя подводится к обмотке возбуждения гидрогенератора через установленные на валу контактные кольца 3.

Для связи с системой регулирования частоты вращения турбины предназначен расположенный на валу ротора регуляторный генератор 1.

Вследствие того, что невозможно выполнить корпус газоплотным, внутренний объём гидрогенератора заполнен воздухом. Большинство гидрогенераторов выполнены с косвенным воздушным охлаждением магнитопроводов и обмоток. Наиболее часто применяют замкнутую или частично разомкнутую систему вентиляции, при которой часть (около 20 %) нагретого в машине воздуха используется для обогрева машинного зала.

Для перемещения воздуха используют принцип самовентиляции, при котором напорный эффект создается вращающимися частями ротора. Холодный воздух поступает в пространство между спицами остова ротора, проходит по радиальным каналам обода в пространство между полюсами и охлаждает катушки обмотки возбуждения.

Далее воздух поступает в радиальные каналы статора 1, охлаждая при этом сердечник и пазовую часть обмотки статора. Центробежными вентиляторами, установленными в торцевых частях обода, холодный воздух нагнетается, в область лобовых частей обмоток и охлаждает их. Нагретый воздух проходит через воздухоохладители и охлажденный поступает к ротору по каналам в фундаменте и между лапами верхней крестовины.

Такую систему вентиляции называют радиальной и применяют в тихоходных гидрогенераторах с линейной скоростью вращения ротора менее 30–60 м/с. При линейной скорости вращения ротора более 60 м/с предпочтительнее радиально-аксиальная схема вентиляции. В этом случае с помощью установленных на торцах ротора осевых (пропеллерных) вентиляторов воздух нагнетается сверху и снизу в пространство между полюсами и в область лобовых частей обмоток. Далее воздух, как и при радиальной схеме вентиляции, идет по радиальным каналам статора и через воздухоохладители.

Для уменьшения габаритов машины или увеличения мощности при почти неизменных габаритах в гидрогенераторах большой мощности (более 150–200 МВт) применяют непосредственное охлаждение обмоток.

Наиболее распространена система охлаждения смешанного типа, при которой обмотка статора охлаждаются непосредственно водой, а обмотка

возбуждения имеет форсированное воздушное охлаждение. Охлаждающий воздух проходит по внутренним продольным или поперечным каналам в витках катушек полюсов.

Остальные части охлаждаются также как и при косвенном воздушном охлаждении. Такое охлаждение применено для крупнейших в России гидрогенераторов Красноярской и Саяно-Шушенской ГЭС номинальной мощностью 500 и 640 МВт соответственно. Известны конструкции гидрогенераторов с непосредственным охлаждением водой обмоток статора и ротора, а также с полным водяным охлаждением обмоток и сердечника статора.

Для низконапорных русловых и приливных ГЭС находят применение тихоходные горизонтальные капсульные гидроагрегаты относительно небольшой мощности 16–45 МВт. Гидроагрегат (рис. 1.8, в) состоит из турбины и установленного в герметичной оболочке (капсуле) гидрогенератора с горизонтальным валом. Капсула помещена в воду в проточной части плотины ГЭС. С целью уменьшения габаритов большинство таких генераторов выполнены с непосредственным водяным охлаждением обмоток статора и ротора.

Обозначение гидрогенератора содержит четыре позиции: 1 2 / 3 – 4.

Позиция 1 характеризует тип или серию и способ охлаждения: СВ, ВГС – синхронный вертикальный с косвенным воздушным охлаждением; СГ – синхронный горизонтальный с косвенным воздушным охлаждением; СВФ – синхронный вертикальный с непосредственным охлаждением обмотки статора водой и форсированным охлаждением обмотки ротора воздухом; СГКВ – синхронный горизонтальный капсульный с непосредственным охлаждением обмоток статора и ротора водой; СВО – синхронный вертикальный обратимый с воздушным охлаждением (двигатель-генераторы для гидроаккумулирующих электростанций).

За буквенным обозначением следует дробное число, позиция 2 в числителе которого соответствует наружному диаметру, а позиция 3 в знаменателе дроби равна длине сердечника статора в сантиметрах.

Позиция 4 определяет число полюсов 2р, после которого указывают климатическое исполнение и категорию размещения.

Пример расшифровки обозначения гидрогенератора:

СВФ 1690/185-64 УХЛ4 – синхронный вертикальный с охлаждением обмоток: статора – непосредственным водяным; ротора – форсированным воздушным; наружный диаметр сердечника статора 1690 см, длина сердечника статора 185 см; число полюсов 64; для эксплуатации в условиях умеренного и холодного климата (УХЛ) с искусственно регулируемыми климатическими условиями (4).

Для автономных источников питания применяют синхронные генераторы мощностью от нескольких кВ·А до нескольких МВ·А, приводимые во вращение от других типов двигателей: паровых, внутреннего сгорания, ветроэнергетических установок.

Синхронные машины используют и в качестве двигателей. Большинство их имеет горизонтальное расположение вала. При частотах вращения ротора до 25 обс ( p 2) двигатели выполняют явнополюсными, 50 и иногда 25 об/с – неявнополюсными. Мощности выпускаемых в России двигателей – от нескольких кВт до десятков МВт.

В обозначении большинства генераторов и двигателей общего назначения присутствуют буквы СГ, ГС или СД, ДС соответственно.

Для регулирования реактивной мощности в электрических системах используют синхронные компенсаторы – синхронные двигатели, работающие без нагрузки на валу. В России изготавливают синхронные компенсаторы на мощности 10–160 МВА с частотами вращения 12,5–16,7 об/с. Обычно это явнополюсные машины с косвенным воздушным охлаждением при мощности до 25 МВА для установки в помещении, при больших мощностях с косвенным водородным охлаждением для наружной установки. Обозначение синхронного компенсатора состоит из буквенного названия типа КС или КСВ соответственно для машин с воздушным и водородным охлаждением. Далее указывают номинальные полную мощность в МВА и линейное напряжение в кВ.

Например: КСВ 50-11 – компенсатор синхронный, охлаждение водородное, номинальные мощность 50 МВА и линейное напряжение 11 кВ.

Шведской фирмой АСЕА изготовлен синхронный компенсатор мощностью 345 МВА с частотой вращения 900 об/мин на частоту напряжения 60 Гц. В машине применено полное непосредственное водяное охлаждение обмоток (статора, возбуждения и демпферной) и сердечника статора, корпус заполнен воздухом.