Конструкции синхронных генераторов, и принцип их действия

Гидрогенераторы – явнополюсные синхронные машины, приводятся во вращение сравнительно тихоходными гидравлическими турбинами, частота вращения которых составляет 50÷500 об./мин., поэтому для получения напряжения частотой 50 Гц их выполняют с большим числом полюсов. В генераторах мощностью 590-640 МВ·А диаметр ротора достигает 16 м, при активной длине 1,75 м.

Гидрогенераторы – электрические машины индивидуального исполнения, имеющие большое многообразие конструктивных решений. Наибольшее распространение получили вертикальные гидрогенераторы подвесного типа (рисунок 8а), вертикальные гидрогенераторы зонтичного типа (рисунок 8б) и горизонтальные гидрогенераторы капсульного типа.

Рисунок 8 – Схемы гидрогенераторов подвесного (а) и зонтичного (б) типов

В гидрогенераторах вертикального исполнения вес вращающей части агрегата и давления воды на рабочее колесо турбины воспринимаются упорным подшипником-подпятником. Это самый ответственный узел гидрогенератора, так как он должен выдержать значительные усилия: в тихоходных генераторах большой мощности давление на подпятник измеряется несколькими тысячами тонн.

В гидрогенераторе зонтичного типа подпятник находится ниже сердечника ротора, а подвесного типа – выше.

В подвесном типе достигается наибольшая механическая устойчивость вращающегося ротора, но для опоры подпятника требуется массивная верхняя крестовина. Поэтому, как правило, он применяется в сравнительно быстроходных гидрогенераторах, имеющих ограниченные диаметр статора и нагрузку подпятника. Крестовины в гидрогенераторах этого типа представляют собой мощную опорную конструкцию, состоящую из центральной втулки и ряда радиальных балок.

При очень больших диаметрах статора и давлении в подпятнике (тихоходные генераторы) более рациональным является зонтичный тип. Подпятник в таких машинах опирается на нижнюю крестовину, имеющую меньшие радиальные размеры, чем верхняя крестовина. В некоторых гидрогенераторах зонтичного типа подпятник располагается непосредственно на крышке турбины. Зонтичный генератор получается несколько меньшей высоты, чем подвесной. Кроме подпятника, ротор имеет еще направляющий подшипник, воспринимающий только радиальные усилия.

Ротор вертикального гидрогенератора с помощью фланца скрепляют с ротором турбины, вследствие чего роторы имеют общие подшипники. В верхней части гидрогенератора на одном с ним валу обычно устанавливают вспомогательные машины: возбудитель генератора с подвозбудителем и дополнительный синхронный генератор, предназначенный для питания электродвигателей автоматического масляного регулятора турбины.

В гидрогенераторах большой мощности в ряде случаев применяют непосредственное охлаждение обмоток статора, ротора и сердечника статора дистиллированной водой. При тех же основных геометрических размерах мощность гидрогенератора с водяным охлаждением можно увеличить более чем в два раза по сравнению с гидрогенератором, имеющим поверхностное воздушное охлаждение. Чаще применяют систему смешанного непосредственного охлаждения Гидрогенераторы мощностью меньшей нескольких десятков мВ·А, выполняют обычно с горизонтальным валом. В последнее время значительное применение получили гидрогенераторы капсульной конструкции, которые окружены водонепроницаемой оболочкой – капсулой. При таком исполнении генератор и турбина образуют единую конструкцию, а поток воды, проходящий через турбину, омывает капсулу, что способствует более интенсивному ее охлаждению. Капсульные гидрогенераторы устанавливают на низконапорных гидроэлектростанциях, что позволяет существенно уменьшить объем здания электростанции.

В современных синхронных генераторах широко применяют так называемую бесщеточную систему возбуждения. При этом в качестве возбудителя используют синхронный генератор, у которого обмотка якоря расположена на роторе, а выпрямитель укреплен непосредственно на валу. Обмотка возбуждения возбудителя получает питание от подвозбудителя, снабженного регулятором напряжения. При таком способе возбуждения синхронного генератора отсутствуют скользящие контакты, что существенно повышает надежность системы возбуждения.

В настоящее время в синхронных генераторах широко применяют компаундирование, т.е. автоматическое изменение тока возбуждения при изменении нагрузки генератора. В генераторах малой и средней мощности используют систему фазного компаундирования. В генераторах значительной мощности более точное регулирование обеспечивается системой с токовым компаундированием и корректором напряжения.

Синхронные компенсаторы

Для генерирования или потребления реактивной мощности с целью улучшения коэффициента мощности сети и регулирования ее напряжения применяют синхронные компенсаторы.

Синхронные компенсаторы, как правило, имеют горизонтальное исполнение вала. Наиболее часто встречающиеся скорости для достаточно мощных компенсаторов – 750, 1000 об/мин, при которых машина выполняется явнополюсной. Диаметр ротора ограничен максимально допустимой скоростью на поверхности ротора и не превосходит 2.5 м. При таких размерах сердечник ротора собирается из толстых стальных листов электротехнической стали, стягиваемых в осевом направлении шпильками, и непосредственно насаживается на вал. Полюса этих машин имеют такую же конструкцию, как и в гидрогенераторах. Для синхронных компенсаторов характерно наличие роторов облегченной конструкции, так как вал ротора не должен передавать значительный вращающий момент. Синхронные компенсаторы устанавливают в помещениях или под открытым небом. Во втором случае их выполняют с герметизированным корпусом, герметизация упрощается тем, что выводить наружу конец вала в этих машинах не требуется. Компенсатор имеет принципиально ту же конструкцию статора, что и турбогенератор.

При мощности до 25 МВ·А синхронные компенсаторы имеют воздушное охлаждение, а при больших мощностях – водородное. На валу компенсатора расположены вентиляторы, которые обеспечивают циркуляцию охлажденного газа.

Синхронные электродвигатели

Синхронные машины широко используют и в качестве электродвигателей при мощности 100 кВт и выше для привода насосов, компрессоров, вентиляторов и других механизмов, работающих при постоянной частоте вращения.

Синхронные двигатели выполняют с горизонтальным расположением вала. При частотах вращения от 100 до 1000 об/мин электродвигатели выполняют явнополюсными, а при 1500 и 3000 об/мин – неявнополюсными. Эти машины изготовляются с применением щитовых или стояковых подшипников. Охлаждение двигателей воздушное, с самовентиляцией. В тихоходных машинах на ободе ротора у каждого полюса устанавливаются небольшие лопатки, заменяющие собой вентилятор.

На полюсах двигателей и синхронных компенсаторов, кроме обмотки возбуждения, всегда располагается демпферная обмотка, с помощью которой осуществляется пуск синхронной машины. В зависимости от условий пуска стержни демпферной обмотки могут быть медными и латунными.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Копылов И.П. Электрические машины – М.: Высш.шк., Логос, 2000. 607 с.

2. Иванов-Смоленский А.В. Электрические  машины. – М.: Энергия, 1980. 970 с.

3. Токарев Б.Ф. Электрические машины. – М.: Энергоатомиздат, 1990. 670 с.