Hoe zijn synchrone turbo's en hydrogeneratoren geregeld?

In waterkrachtcentrales worden generatoren aangedreven door waterturbines die draaien met snelheden van 68 tot 250 tpm.In thermische energiecentrales wordt elektrische energie opgewekt door turbine-eenheden bestaande uit een stoomturbine en een turbinegenerator. Voor een beter gebruik van stoomenergie worden turbines gebouwd als hogesnelheidsturbines met een rotatiesnelheid van 3000 tpm.Ook in grote industriële ondernemingen zijn thermische centrales beschikbaar.

Dynamo's zijn eenvoudiger van ontwerp en kunnen worden gebouwd met aanzienlijk meer vermogen dan gelijkstroomgeneratoren.

De meeste synchrone machines gebruiken een omgekeerd ontwerp in vergelijking met DC-machines, d.w.z. het excitatiesysteem bevindt zich op de rotor en de ankerwikkeling op de stator. Dit komt doordat het gemakkelijker is om via sleepcontacten een relatief lage stroom aan de bekrachtigingsspoel toe te voeren dan om stroom aan de bedieningsspoel toe te voeren. Het magnetische systeem van een synchrone machine wordt getoond in Fig. 1.

De bekrachtigingspolen van de synchrone machine bevinden zich op de rotor.De poolkernen van elektromagneten worden op dezelfde manier gemaakt als in gelijkstroommachines. Op het stationaire deel, de stator, bevindt zich een kern 2, gemaakt van geïsoleerde platen van elektrisch staal, in de kanalen waarvan zich een werkspoel bevindt voor wisselstroom - meestal driefasig.

Rijst. 1. Magnetisch systeem van een synchrone machine

Wanneer de rotor draait, wordt een wisselende emf geïnduceerd in de ankerwikkeling, waarvan de frequentie recht evenredig is met de snelheid van de rotor. De wisselstroom die door de werkende spoel stroomt, creëert zijn eigen magnetische veld. De rotor en het veld van de werkende spoel draaien met dezelfde frequentie - synchroon… In de motormodus draagt ​​het roterende werkveld de magneten van het excitatiesysteem met zich mee, en in de generatormodus vice versa.

Zie hier voor meer details: Doel en opstelling van synchrone machines

Overweeg om de krachtigste machines te ontwerpen — turbo's en hydrogeneratoren... Turbinegeneratoren worden aangedreven door stoomturbines, die het zuinigst zijn bij hoge snelheden. Daarom worden turbinegeneratoren gemaakt met een minimaal aantal polen van het excitatiesysteem - twee, wat overeenkomt met een maximale rotatiesnelheid van 3000 tpm bij een industriële frequentie van 50 Hz.

Het grootste probleem van turbogeneratortechniek is het creëren van een betrouwbare machine met de grenswaarden van elektrische, magnetische, mechanische en thermische belastingen. Deze vereisten drukken een stempel op het gehele ontwerp van de machine (afb. 2).

Rijst. 2. Algemeen beeld van de turbinegenerator: 1 — sleepringen en borstelinrichting, 2 — lager, 3 — rotor, 4 — rotorstrip, 5 — statorwikkeling, 6 — stator, 7 — statorwikkelingen, 8 — ventilator.

De rotor van een turbinegenerator is gemaakt in de vorm van een solide smeedstuk met een diameter van maximaal 1,25 m, een lengte van maximaal 7 m (werkend deel). De totale lengte van het smeedwerk, rekening houdend met de schacht, is 12 - 15 m. Op het werkende deel worden kanalen gefreesd, waarin de bekrachtigingsspoel is geplaatst. Zo wordt een cilindrische bipolaire elektromagneet zonder duidelijk gedefinieerde polen verkregen.

Bij de productie van turbinegeneratoren worden de nieuwste materialen en ontwerpoplossingen gebruikt, met name directe koeling van de actieve delen door stralen van een koelmiddel - waterstof of vloeistof.Om een ​​hoog vermogen te verkrijgen, is het noodzakelijk om de lengte te vergroten van de machine, wat hem een ​​heel bijzondere uitstraling geeft.

Waterkrachtgeneratoren (fig. 3) verschillen aanzienlijk in constructie van turbinegeneratoren. De efficiëntie van de werking van de hydraulische turbine hangt af van de snelheid van de waterstroom, d.w.z. poging. Het is onmogelijk om hoge druk te creëren op vlakke rivieren, daarom zijn de rotatiesnelheden van de turbine erg laag - van tientallen tot honderden omwentelingen per minuut.

Om een ​​industriële frequentie van 50 Hz te verkrijgen, moeten dergelijke langzame machines met een groot aantal polen worden gemaakt. Om een ​​groot aantal palen te huisvesten, is het noodzakelijk om de diameter van de rotor van de hydrogenerator te vergroten, soms tot 10-11 m.

Rijst. 3. Langsdoorsnede van een overkoepelende waterstofgenerator: 1 - rotornaaf, 2 - rotorrand, 3 - rotorpaal, 4 - statorkern, 5 - statorwikkeling, 6 - dwarsbalk, 7 - rem, 8 - druklager, 9 - rotorhuls.

Het bouwen van krachtige turbo's en hydrogeneratoren is een technische uitdaging.Het is noodzakelijk om een ​​aantal problemen van mechanische, elektromagnetische, thermische en ventilatieberekeningen op te lossen en om de maakbaarheid van de constructie in productie te waarborgen. Alleen krachtige ontwerp- en productieteams en bedrijven kunnen deze taken aan.

Structuren van verschillende typen zijn erg interessant. synchrone micromachines, waarin permanente magneet en reactieve systemen veel worden gebruikt, d.w.z. systemen waarin het werkende magnetische veld niet interageert met het excitatie magnetische veld, maar met de ferromagnetische opvallende polen van de rotor, die geen wikkeling hebben.

Maar het belangrijkste technologische gebied waarop synchrone machines vandaag geen concurrenten hebben, is energie. Alle generatoren in energiecentrales, van de krachtigste tot de mobiele, zijn gebaseerd op synchrone machines.

Wat betreft synchrone motoren, dan is hun zwakke plek het opstartprobleem. Op zichzelf kan een synchrone motor meestal niet accelereren. Om dit te doen, is het uitgerust met een speciale startspoel die werkt volgens het principe van een asynchrone machine, wat het ontwerp en het startproces zelf bemoeilijkt. Synchroonmotoren zijn daarom over het algemeen verkrijgbaar in middelhoge tot hoge vermogens.

Onderstaande figuur toont de opbouw van een turbinegenerator.

De rotor 1 van de generator is gemaakt van smeedstaal, waarin groeven zijn gefreesd voor de excitatiespoel, aangedreven door een speciale DC-machine 10, een exciter genaamd. De stroom naar de rotorwikkeling wordt geleverd door sleepringen die zijn gesloten door de behuizing 9, de draden van de rotorwikkeling zijn daarmee verbonden.

Tijdens het draaien produceert de rotor een grote middelpuntvliedende kracht.In de groeven van de rotor wordt de wikkeling vastgehouden door metalen wiggen en worden de stalen borgringen 7 tegen de voorste delen gedrukt.

De stator is samengesteld uit gestanste platen 2 van speciaal elektrisch staal, die zijn versterkt in een frame 3 dat is gelast uit plaatstaal. Elk statorblad bestaat uit verschillende delen, segmenten genaamd, die met 4 bouten zijn vastgezet.

In de kanalen van de stator wordt een spoel 6 gelegd, in de draden waarvan elektromotorische krachten worden opgewekt wanneer de rotor draait. De elektromotorische krachten van de in serie geschakelde wikkeldraden nemen toe en op de klemmen 12 wordt een spanning van enkele duizenden volt opgewekt. Wanneer er stromen tussen de wikkeldraden vloeien ontstaan ​​er grote krachten. Daarom zijn de voorste delen van de statorwikkeling verbonden door ringen 5.

De rotor draait in lagers 8. Tussen het lager en de grondplaat is een stroomonderbrekende isolatie gelegd, waardoor de lagerstromen kunnen worden afgesloten. Het tweede lager wordt samen met een stoomturbine gemaakt.

Om de generator te koelen, is de stator verdeeld in afzonderlijke pakketten, waartussen zich ventilatiekanalen bevinden. De lucht wordt aangedreven door ventilatoren 11 die op de rotor zijn gemonteerd.

Om krachtige generatoren te koelen, is het nodig om er een enorme hoeveelheid lucht doorheen te duwen, met een snelheid van tientallen kubieke meters per seconde.

Als de koellucht uit het terrein van het station wordt gehaald, zal de generator met de meest onbeduidende hoeveelheden stof (enkele milligram per kubieke meter) in korte tijd vervuild raken met stof. Daarom worden turbinegeneratoren gebouwd met een gesloten ventilatiesysteem.

De lucht, die wordt verwarmd bij het passeren van de ventilatiekanalen van de generator, komt in speciale luchtkoelers die zich onder de behuizing van de turbinegenerator bevinden.

Daar gaat de opgewarmde lucht tussen de lamellenbuizen van de luchtkoeler door waar water doorheen stroomt en wordt gekoeld. De lucht wordt vervolgens teruggevoerd naar de ventilatoren, die deze door de ventilatiekanalen voortstuwen. Op deze manier wordt de generator continu gekoeld met dezelfde lucht en kan er geen stof in de generator komen.

De snelheid langs de omtrek van de rotor van een turbinegenerator is groter dan 150 m / s. Bij deze snelheid wordt een grote hoeveelheid energie verbruikt aan de wrijving van de rotor in de lucht. In een turbinegenerator met een vermogen van 50.000 kWVt zijn de energieverliezen door luchtwrijving bijvoorbeeld 53% van de som van alle verliezen.

Om deze verliezen te verminderen, is de interne ruimte van de krachtige turbinegeneratoren niet gevuld met lucht, maar met waterstof. Waterstof is 14 keer lichter dan lucht, dat wil zeggen, het heeft een vergelijkbare lagere dichtheid, waardoor rotorwrijvingsverliezen aanzienlijk worden verminderd.

Om een ​​explosie van knalgas, gevormd uit een mengsel van waterstof en zuurstof in lucht, te voorkomen, wordt in de generator een hogere dan atmosferische druk ingesteld. Daarom kan zuurstof uit de lucht de generator niet binnendringen.

3D-model van een stoomturbinegenerator:

Een educatieve tape gemaakt door de fabriek voor schoolbenodigdheden in 1965:
Synchrone generatoren