III. Основное электрооборудование электрических станций

III.1. Синхронные генераторы

III.1.1. Особенности конструкции генераторов

Для выработки электрической энергии на электростанциях применяют синхронные генераторы трехфазного переменного тока.

Наибольшее применение в нашей стране нашли турбогенераторы, для которых первичным двигателем служит паровая или газовая турбина, гидрогенераторы, для которых первичным двигателем служит гидротурбина.

Для синхронных электрических машин в установившемся режиме работы имеется строгое соответствие между номинальной частотой вращения n_н, об/мин и частотой сети f_c,Гц.

, где р – число пар полюсов.

а) Турбогенераторы.

Основные элементы конструкции ТГ показаны на рис. III.1.

Рис. III.1. Конструкция турбогенератора: 1 – сердечник статора; 2 –обмотка статора; 3, 4 – сердечник и обмотка ротора (обмотка возбуждения); 5 – бандажные кольца (бандаж); 6 – вентилятор; 7 – подшипник скольжения; 8 – корпус синхронного генератора; 9 – торцевой щит; 10 – газоохладитель; 11 – возбудитель; 12 – щетки; 13 – контактные кольца; 14 – токопроводящие соединения обмотки возбуждения с контактными кольцами; ХВ – холодная вода; НВ – нагретая вода; ОС – охлаждающая среда (воздух, водород, дистиллированная вода, масло)

Паровые и газовые турбины выпускают на большие частоты вращения (3000, 1500 об/мин), так как при этом турбоагрегаты имеют наилучшие технико-экономические показатели. На ТЭС, сжигающей обычное топлива, частота вращения агрегатов составляет 3000 об/мин, а синхронные турбогенераторы имеют одну пару полюсов. Это связано с возможностью использования пара высоких параметров. На АЭС с меньшими начальными параметрами пара в ряде случаев используют агрегаты с частотой вращения 1500 об/мин и двумя парами полюсов.

Быстроходность турбогенератора определяет особенности его конструкции. Эти генераторы выполнены с горизонтальным валом. Ротор турбогенератора, работающий при больших механических и тепловых нагрузках, изготавливается из цельной поковки специальной стали (хромоникелевой или хром-никель-молибденовой), обладающей высокими магнитными и механическими свойствами. Ротор выполняется неявнополюсным. Вследствие значительной частоты вращения диаметр ротора ограничивается по соображениям механической прочности 1,11,2 м для n_н = 3000 об/мин. Длина бочки ротора имеет также предельное значение 66,5 м, то есть отношение длины ротора к диаметру ротора – примерно 6. Определяется оно из условий допустимого статического прогиба вала и получения приемлемых вибрационных характеристик.

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 возбуждения, не лежащая в пазах предохраняется от смещения под действием центробежных сил с помощью бандажных колец. Бандажи являются наиболее напряженными в механическом отношении частями ротора и обычно выполняются из немагнитной высокопрочной стали.

По обеим сторонам ротора на его валу устанавливаются вентиляторы, обеспечивающие циркуляцию охлаждающего газа в машине. При использовании жидкой охлаждающей среды (дистиллированная вода или масло) охладитель и насос устанавливаются вне корпуса синхронного генератора.

Статор турбогенератора состоит из корпуса и сердечника. Корпус изготавливается сварным, с торцов он закрывается щитами и уплотнениями в местах стыка с другими частями.

Сердечник статора набирается из изолированных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Листы набираются пакетами, между которыми оставляют вентиляционные каналы. В пазы, имеющиеся во внутренней расточке сердечника, укладывается трехфазная обмотка, обычно двухслойная. В турбогенераторах роль успокоительной (демпферной) обмотки играют массивная бочка ротора и металлические клинья, закрывающие обмотку возбуждения в пазах.

б) Гидрогенератор.

В зависимости от расположения вала гидрогенераторы делят на вертикальные и горизонтальные. Гидрогенератор средней и большой мощности имеют вертикальное исполнение, а гидрогенератор малой мощности – горизонтальное. Горизонтальные гидрогенераторы по конструкции схожи с турбогенераторами, но имеют ротор с явновыраженными полюсами и многополюсную обмотку возбуждения (p>2).

Вертикальные гидрогенераторы имеют один опорный подшипник (подпятник) общий для всего гидроагрегата «турбина-генератор». Подпятник воспринимает большую нагрузку, определяемую силой тяжести ротора генератора и рабочего колеса турбины, а также вертикальной составляющей реакции воды и передает ее крестовине, которая называется в этом случае опорной. Радиальные усилия, действующие на ротор, воспринимают направляющие подшипники, они же обеспечивают вертикальное положение ротора.

В зависимости от расположения подпятника различают гидрогенераторы подвесного и зонтичного типа. Основные элементы гидрогенератора показаны на рис. III.2.

a)	б)
Рис. III.2. Конструкция гидрогенератора: 1 – возбудитель; 2 – верхний направляющий подшипник; 3 – подпятник; 4 – верхняя крестовина; 5, 6 – сердечник ротора и обмотка ротора; 7, 8 – сердечник и обмотка статора; 9 – нижняя крестовина; 10 – нижний направляющий подшипник; 11 – спицы 12 – втулка ротора; 13 – воздухоохладитель

В гидрогенераторах подвесного типа подпятник находится над ротором в верхней опорной крестовине, а в гидрогенераторах зонтичного типа – под ротором в нижней опорной крестовине.

Подвесное исполнение гидрогенератора обеспечивает более высокую механическую устойчивость машины и более свободный доступ к подпятнику и другим частям агрегата, а зонтичное исполнение позволяет уменьшить массу агрегата, снизить его высоту и соответственно высоту всего здания ГЭС.

Границы применения генераторов подвесного и зонтичного типа в основном определяются их мощностью и частотой вращения. При больших диаметрах статора и нагрузках на пяту, что имеет место в мощных тихоходных гидрогенераторов целесообразно зонтичное исполнение, которое позволяет значительно сократить размеры опорной крестовины и выполнить ее из удобно транспортируемых частей.

Гидрогенераторы относятся к числу тихоходных электрически машин. Их частота вращения меньше частоты вращения турбогенераторов и принимается равной наиболее выгодной частоте вращения гидротурбины, отвечающей при данном расходе и напоре воды лучшим гидравлическим характеристикам турбины и ее наибольшей экономичности.

n_ – коэффициент быстроходности, зависящий от типа турбины[об/мин]

Н – напор [м],

Р – активная мощность турбины [МВт].

Так как напоры и расходы воды на ГЭС отличаются большим разнообразием, номинальная частота вращения гидрогенераторов лежит в широком диапазоне от 50 до 750 об/мин.

Как видно из формулы, частота вращения тем меньше, чем выше мощность гидроагрегата и ниже напор. Большая часть исполненных машин имеют частоту вращения от 50 до 125 об/мин, т.е. относятся к тихоходным машинам.

Гидрогенераторы выполняются с явнополюсными роторами. Диаметры роторов мощных гидрогенераторов достигают 14-16м, а диаметры статоров 20-25 м. Отношение длины ротора к его диаметру – 0,150,2.

Сердечником ротора служит обод, собираемый на спицах, которые крепятся на втулке ротора. Полюсы, как и обод делают наборными из стальных листов и монтируют на ободе ротора с помощью Т-образных выступов.

На полюсах помимо обмотки возбуждения размещается еще демпферная обмотка, которая образуется из медных стержней, закладываемых в пазы на полюсных наконечниках, а замыкаемых с торцов ротора кольцами.

Статор гидрогенератора имеет принципиально такую же конструкцию, как и статор турбогенератора, но в отличие от последнего выполняется разъемным при его диаметре более 4м. Он делится по окружности на 2-6 равных частей, что значительно облегчает его транспортировку и монтаж.