На гидростанциях генераторы приводятся во вращение водяными турбинами, скорость вращения которых составляет от 68 до 250 об/мин. На тепловых станциях электрическая энергия вырабатывается турбоагрегатами, состоящими из паровой турбины и турбогенератора. Для лучшего использования энергии пара турбины строятся быстроходными со скоростью вращения 3000 об/мин. Тепловые электростанции имеются и на крупных промышленных предприятиях.
Генераторы переменного тока проще по устройству и могут быть построены значительно большей мощности, чем генераторы постоянного тока.
В большинстве синхронных машин используется обращенная конструктивная схема по сравнению с машинами постоянного тока, т. е, система возбуждения расположена на роторе, а якорная обмотка на статоре. Это объясняется тем, что через скользящие контакты проще осуществить подвод сравнительно слабого тока к обмотке возбуждения, чем тока к рабочей обмотке. Магнитная система синхронной машины показана на рис. 1.
Полюса возбуждения синхронной машины размещены на роторе. Сердечники полюсов электромагнитов выполняются так же, как в машинах постоянного тока. На неподвижной части - статоре расположен сердечник 2, набранный из изолированных листов электротехнической стали, в пазах которого размещена рабочая обмотка переменного тока - обычно трехфазная.
Рис. 1. Магнитная система синхронной машины
При вращении ротора в обмотке якоря наводится переменная э.д.с., частота которой прямо пропорциональна частоте вращения ротора. Протекающий по рабочей обмотке переменный ток создает свое магнитное поле. Ротор и поле рабочей обмотки вращаются с одинаковой частотой - синхронно. В двигательном режиме вращающееся рабочее поле увлекает за собой магниты системы возбуждения, а в генераторном - наоборот.
Подробнее смотрите здесь: Назначение и устройство синхронных машин
Рассмотрим конструкцию самых мощных машин - турбо- и гидрогенераторов. Турбогенераторы приводятся во вращение паровыми турбинами, которые наиболее экономичны при высоких частотах вращения. Поэтому турбогенераторы выполняют с минимальным числом полюсов системы возбуждения - двумя, что соответствует максимальной частоте вращения 3000 об/мин при промышленной частоте 50 Гц.
Основная проблема турбогенераторостроения заключается в создании надежной машины при предельных величинах электрических, магнитных, механических и тепловых нагрузок. Эти требования накладывают отпечаток на всю конструкцию машины (рис. 2).
Рис. 2. Общий вид турбогенератора: 1 - контактные кольца и щеточный аппарат, 2 - подшипник, 3 - ротор, 4 - бандаж ротора, 5 - обмотка статора, 6 - статор, 7 - выводы обмотки статора, 8 - вентилятор.
Ротор турбогенератора выполняется в виде цельной поковки диаметром до 1,25 м, длиной до 7 м (рабочая часть). Полная длина поковки с учетом вала составляет 12 - 15 м. На рабочей части фрезеруются пазы, в которые укладывается обмотка возбуждения. Таким образом получается двухполюсный электромагнит цилиндрической формы без явно выраженных полюсов.
При производстве турбогенераторов применяются новейшие материалы и конструктивные решения, в частности непосредственное охлаждение активных частей струями охлаждающего агента - водорода или жидкости. Для получения больших мощностей приходится увеличивать длину машины, что и придает ей весьма своеобразный вид.
Гидрогенераторы (рис. 3) по конструкции существенно отличаются от турбогенераторов. Экономичность режима гидравлических турбин зависит от скорости водяного потока, т. е. напора. На равнинных реках создать большой напор невозможно, поэтому частоты вращения турбин весьма низкие - от десятков до сотен оборотов в минуту.
Чтобы получить промышленную частоту 50 Гц, такие тихоходные машины приходится делать с большим числом полюсов. Для размещения большого количества полюсов приходится увеличивать диаметр ротора гидрогенератора, иногда до 10 - 11 м.
Рис. 3. Продольный разрез гидрогенератора зонтичного типа: 1 - ступица ротора, 2 - обод ротора, 3 - полюс ротора, 4 - сердечник статора, 5 - обмотка статора, 6 - крестовина, 7 - тормоз, 8 - подпятник, 9 - втулка ротора.
Создание мощных турбо- и гидрогенераторов представляет сложную инженерную задачу. Необходимо решить целый ряд вопросов механического, электромагнитного, теплового и вентиляционного расчетов и обеспечить технологичность конструкции в производстве. Эти задачи по плечу только мощным конструкторско-производственным коллективам и фирмам.
Весьма интересны конструкции различных типов синхронных микромашин, в которых широко используются системы с постоянными магнитами и реактивные системы, т. е. системы, у которых рабочее магнитное поле взаимодействует не с магнитным полем возбуждения, а с ферромагнитными выступающими полюсами ротора, не имеющими обмотки.
Но все-таки основная область техники, где синхронные машины сегодня не имеют конкурентов - это энергетика. Все генераторы на электростанциях от самых мощных до передвижных выполняются на базе синхронных машин.
Что же касается синхронных двигателей, то их слабым местом является проблема пуска. Сам по себе синхронный двигатель обычно не может разогнаться. Для этого он снабжается специальной пусковой обмоткой, работающей по принципу асинхронной машины, что усложняет конструкцию и сам процесс пуска. Поэтому синхронные двигатели обычно выпускаются на средние и большие мощности.
Номинальная мощность синхронногого генератора определяется как необходимая полная мощность, МВА (а не мощность, МВт), прежде всего потому, что физический размер машины в значительной степени определяется произведением напряжения и тока.
Конструкция турбо- и гидрогенераторов варьируется в зависимости от экономических требований и требуемой сложности, соответствующей различным диапазонам полной мощности.
Ниже на рисунке показана конструкция турбогенератора.
Ротор 1 генератора изготовлен из стальной поковки, в которой профрезерованы пазы для обмотки возбуждения, питаемой от специальной машины постоянного тока 10, называемой возбудителем. Ток к обмотке ротора подводится через контактные кольца, закрытые кожухом 9 к ним присоединены выводы обмотки ротора.
При вращении ротора возникает большая центробежная сила. В пазах ротора обмотка удерживается металлическими клиньями, а на лобовые части напрессованы стальные бандажные кольца 7.
Статор собирается из штампованных листов 2 специальной электротехнической стали, которые укрепляются в станине 3, сваренной из листовой стали. Каждый лист статора состоит из нескольких частей, называемых сегментами, которые укрепляются при помощи болтов 4.
В пазах статора уложена обмотка 6, в проводниках которой при вращении ротора наводятся электродвижущие силы. Электродвижущие силы последовательно соединенных проводников обмотки складываются, и на зажимах 12 создается напряжение в несколько тысяч вольт. При протекании токов между проводниками обмотки создаются большие силы. Поэтому лобовые части обмотки статора привязаны к кольцам 5.
Ротор вращается в подшипниках 8. Между подшипником и фундаментной плитой проложена изоляция для разрыва цепи, по которой могут замыкаться подшипниковые токи. Второй подшипник выполняется вместе с паровой турбиной.
Электрическая изоляция обмотки возбуждения должна изолировать проводники от корпуса ротора, находящегося под потенциалом земли, должна разделять соседние витки внутри катушки и должна быть спроектирована таким образом, чтобы успешно справляться с тяжелыми механическими нагрузками, особенно в больших генераторах.
Номинальное напряжение возбуждения колеблется от 125 В на небольших турбогенераторах до 600 В и выше на больших машинах.
Межвитковое напряжение обычно составляет всего несколько вольт. Даже при кратковременном воздействии более высоких напряжений, как правило, достаточно обеспечить механическое разделение витков.
Вращение накладывает на изоляцию центробежное ускорение в диапазоне от 2000 до 5000 и более раз больше, чем сила тяжести. Температурные изменения в обмотке, которые происходят, когда генератор возбуждается и набирает нагрузку, и во время каждого цикла нагрузки вызывают попытки проводников расшириться или сжаться.
Степень фиксации проводников центробежной силой влияет на фактические движения, на которые должна быть рассчитана изоляция.
Для охлаждения генератора статор разделен на отдельные пакеты, между которыми расположены вентиляционные каналы. Воздух прогоняется вентиляторами 11, укрепленными на роторе.
Для охлаждения мощных генераторов требуется прогонять через них огромное количество воздуха, достигающее десятков кубических метров в секунду.
Если забирать охлаждающий воздух из помещения станции, то при наличии в нем самых ничтожных количеств пыли (несколько миллиграммов в кубическом метре) генератор будет в короткое время загрязнен пылью. Поэтому турбогенераторы строят с замкнутой системой вентиляции.
Воздух, который при прохождении через вентиляционные каналы генератора нагревается, поступает в специальные воздухоохладители, расположенные под корпусом турбогенератора.
Там нагретый воздух проходит между ребристыми трубками воздухоохладителя, через которые протекает вода, и охлаждается. После этого воздух снова поступает к вентиляторам, которые прогоняют его через вентиляционные каналы. Таким образом, генератор охлаждается непрерывно одним и тем же воздухом и пыль не может попасть внутрь генератора.
Скорость на окружности ротора турбогенератора превышает 150 м/сек. При такой скорости затрачивается большое количество энергии на трение ротора о воздух. Так, например, в турбогенераторе мощностью 50000 кВт потери энергии на трение о воздух составляют 53% от суммы всех потерь.
Для снижения этих потерь внутреннее пространство мощных турбогенераторов заполняют не воздухом, а водородом. Водород в 14 раз легче воздуха, т. е. имеет во столько же раз меньшую плотность, поэтому потери на трение ротора значительно снижаются.
Для предохранения от взрыва гремучего газа, образующегося от смеси водорода с кислородом воздуха, внутри генератора устанавливается более высокое давление, чем атмосферное. Поэтому кислород воздуха не может проникнуть внутрь генератора.
Паровой турбогенератор 3D модель:
Учебный диафильм созданный фабрикой учебно-наглядных пособий в 1965-году:
Синхронные генераторы
