3.1.4.3. Электрические генераторы и трансформаторы
Электрические генераторы предназначены для преобразования механической энергии вращающегося вала двигателя в электроэнергию. Генераторы могут быть синхронными или асинхронными. Синхронный генератор может работать в автономном режиме или параллельно с сетью. Асинхронный генератор может работать только параллельно с сетью. Если произошел обрыв или другие неполадки в сети, асинхронный генератор прекращает свою работу. Поэтому, для обеспечения гибкости применения распределенных когенерационных энергосистем чаще используются синхронные генераторы. Общий вид синхронного генератора небольшой мощности показан на рис. 3.11.
Рис. 3.11. Общий вид синхронного турбогенератора:
1 – статор; 2 – ротор; 3 – возбудитель; 4 – контактные кольца;
5 – лобовые части обмотки статора; 6 – активная сталь; 7 – обмотка ротора; 8 – бандажное кольцо; 9 – выводы; 10 – подшипник
Принцип действия генератора заключается в возникновении электродвижущей силы в проводнике, пересекающем магнитное поле. В синхронном генераторе магнитное поле создается за счет прохождения постоянного тока (тока возбуждения) через обмотку ротора. Таким образом, ротор является вращающимся постоянным магнитом, поле которого пересекает неподвижные проводники обмотки статора, где и возникает ЭДС. Благодаря специальной схеме соединений в обмотке статора генерируется трехфазный ток.
Ток возбуждения в обмотку ротора генератора подается через угольные щетки и контактные кольца от отдельной небольшой электрической машины–возбудителя или от тиристорного возбудителя.
В процессе работы железо и медные обмотки статора и ротора генератора выделяют значительное количество тепла, которое нужно непрерывно отводить. Для этой цели в генераторах небольших мощностей используется воздух, а в крупных агрегатах –водород, обладающий малой плотностью и большой теплоемкостью, вследствие чего он не создает большого сопротивления вращению ротора и позволяет уменьшить габариты и вес генератора. Водород при давлении до 4 кгс/см2 циркулирует в замкнутом пространстве корпуса генератора, движимый лопатками вентиляторов, одетых на концах бочки ротора. В контур циркуляции встроены газоохладители, где водород отдает тепло трубкам, через которые прокачивается охлаждающая вода. С ростом единичной мощности агрегатов все сложнее уменьшить габариты, вес генератора и отводить от него тепло. Поэтому в настоящее время уже создаются мощные генераторы с непосредственным охлаждением стержней обмотки статоров водой и маслом.
Одним из важнейших узлов генератора являются торцевые уплотнения вала, препятствующие выходу водорода из корпуса наружу. Через эти уплотнения непрерывно прокачивается масло, чтобы создавалась уплотняющая пленка между гребнем вала и прижатым к нему уплотняющим кольцом, препятствующая утечке газа из корпуса генератора. Давление в этой масляной пленке поддерживается более высоким, чем давление газа в корпусе генератора. Для подачи масла к уплотнениям вала генератора имеется специальная маслоснабжающая установка.
Схема газового хозяйства генератора предназначена для наполнения корпуса генератора водородом и для вытеснения водорода углекислым газом, который вытесняется затем воздухом. Применение промежуточной среды в виде углекислого газа или азота необходимо во избежание смешения водорода с воздухом, которые могут образовать взрывчатую смесь.
Напряжение на выводах генератора составляет 6,3 кВ, 10,5 кВ или 20 кВ. Передача электроэнергии на дальние расстояния должна производиться при значительно более высоком напряжении, чтобы уменьшить потери в линиях. Повышение напряжения переменного тока при неизменной частоте осуществляется с помощью повышающих трансформаторов.
Блочный силовой трансформатор обычно «жестко» присоединен к выводам обмотки статора генератора с помощью специальных шинопроводов. Он состоит из продолговатого бака, в котором находится Ш–образный металлический сердечник с обмотками (рис. 3.12).
Рис. 3.12. Схема устройства трехфазного повышающего
трансформатора: 1 – бак;2 – сердечник;3 – выводы низкого
напряжения; 4 – первичная обмотка;5 – вторичная обмотка;
6 – выводы высокого напряжения;7– насос;8 – охладитель.
На каждом вертикальном стержне сердечника находятся первичная и вторичная обмотки одной фазы. Выводы обмоток проходят через специальные изоляторы в крышке бака. Ток высокого напряжения с вторичных обмоток передается на распределительную подстанцию.
Бак трансформатора заполнен изоляционным (трансформаторным) маслом, которое одновременно является охлаждающей средой. Во время работы трансформатора масло непрерывно прокачивается с помощью насосов по контуру бак – выносные охладители – бак.