4. Синхронные генераторы. Системы возбуждения синхронных генераторов.
Синхронные генераторы предназначены для преобразования механической энергии паровой, газовой или гидравлической турбины, вращающей ротор генератора, в электрическую. У турбогенераторов первичным двигателем является паровая или газовая турбина, у гидрогенераторов - гидротурбина.
В России турбогенераторы изготавливают:
- завод «Электросила» ОАО «Силовые машины» (г. Санкт-Петербург»),
- ОАО «Привод» (г. Лысьва, Пермский край),
- НПО «Элсиб» (г. Новосибирск).
Мощность наиболее крупного паротурбинного агрегата с частотой вращения 3000 об/мин составляет 1200 МВт, выпускается ОАО «Силовые машины», типы генераторов для таких агрегатов:
- ТВВ-1200-2, ТВВ-1200-4 (проектируется) - водородно-водяное охлаждение (охлаждение дистиллированной водой обмотки статора и охлаждение водородом стали статора, обмотки ротора, конструктивных элементов);
- Т3В-1200-2А - полное водяное охлаждение (охлаждение дистиллированной водой обмотки и железа статора, обмотки ротора, конструктивных элементов). Предприятие выпускает также гидрогенераторы мощностью до 720 МВт.
(Т – турбогенератор; ВВ – водородно-водяное охлаждение; 3В – три воды (водяное охлаждение); потом идёт активная мощность, потом число полюсов (НЕ ЧИСЛО ПАР!))
Принцип работы синхронного генератора поясняет рис. 3.1. Ротор имеет две пары полюсов (количество полюсов: 2р=4). На роторе располагается обмотка возбуждения (ОВ), питаемая через контактные кольца и щётки от источника постоянного тока - возбудителя. Назначение ОВ – создание в машине первичного магнитного поля. Ротор с ОВ называется индуктором. Он приводится во вращение источником механической энергии - турбиной.
Ротор с ОВ вращается с частотой n. Постоянный ток, проходящий по ОВ, возбуждает магнитное поле ротора. Магнитное поле ротора (ОВ) перемещается относительно неподвижной обмотки статора, размещённой в пазах сердечника статора. Поток возбуждения Фв пересекает проводники обмотки статора, и в фазах этой обмотки индуцируется переменная ЭДС с частотой f: 𝑓 = 𝑝𝑛, где n – частота вращения ротора, об/с; p – число пар полюсов ротора; f – частота переменной ЭДС, Гц.
Так как частоту вращения ротора принято указывать в «об/мин», используется следующее выражение:𝑓 = 𝑝𝑛/60, при одной паре полюсов: 𝑛 = 60 ∙ 50 / 1 = 3000 об/мин; при двух парах полюсов: 𝑛 = 60 ∙ 50 / 2 = 1500 об/мин.
При присоединении генератора к электрической сети, трёхфазная ЭДС обмотки статора создаёт в обмотке трёхфазный ток. Токи обмотки статора создают вращающееся со скоростью ротора магнитное поле. Это магнитное поле статора, вращается с той же частотой вращения, что и ротор, т.е. поля статора и ротора вращаются с одинаковой частотой синхронно, образуя общее вращающее поле. Таким образом, в синхронном генераторе оба поля: обмотки ротора, созданное постоянным током возбуждения и обмотки статора, созданное переменными токами трёхфазной обмотки, оказываются взаимно неподвижными, вращающимися синхронно.
Поле статора оказывает воздействие на поле ротора и называется полем реакции якоря. Поэтому электрический генератор может работать и как двигатель, если к обмотке статора подвести трёхфазный ток из сети. В результате взаимодействия магнитных полей статора и ротора, поле статора увлекает за собой ротор. Ротор вращается в ту же сторону и с такой же частотой вращения, как и поле статора.
Чем больше число пар полюсов, тем меньше должна быть частота вращения синхронной машины.
Синхронные машины делятся на явнополюсные, имеющие выступающие полюсы (рис. 3.1), и неявнополюсные, у которых ОВ не сосредоточенная, а распределённая по пазам в роторе (рис. 3.2).
Рис. 3.2. Ротор неявнолюсной машины.
Для гидрогенераторов характерны явнополюсные роторы с горизонтальным и вертикальным валом. Частота вращения гидрогенератора зависит от частоты вращения гидротурбины, которая зависит от напора воды. Поэтому гидрогенераторы имеют больше число пар полюсов и являются тихоходными машинами. Например, гидрогенераторы Братской ГЭС имеют 24 пары полюсов.
Для турбогенераторов характерны неявнополюсные роторы с одной парой (3000 об/мин), реже двумя парами полюсов (1500 об/мин) и горизонтальным исполнением вала. Меньшая частота вращения применяется для турбогенераторов 1000 МВт, 1200 МВт. Это обстоятельство объясняется тем, что при меньшей частоте вращения вала турбины в цилиндре низкого давления могут быть применены лопатки большей длины, что позволяет пропускать больший объем пара, и, следовательно, увеличивать мощность турбины, которая ограничена механической прочностью лопаток последних ступеней турбины. Поэтому на атомных электростанциях с мощными энергоблоками используются турбогенераторы с двумя парами полюсов. Но в настоящее время проблема прочности лопаток решена, и энергоблоки мощности 1000 и 1200 МВт выполняются с турбогенераторами с одной парой полюсов.