Kako su raspoređeni sinkroni turbo i hidrogeneratori?
U hidroelektranama generatore pokreću vodene turbine koje se vrte brzinom od 68 do 250 okretaja u minuti, au termoelektranama električnu energiju proizvode turbinski agregati koji se sastoje od parne turbine i turbogeneratora. Za bolje iskorištavanje energije pare turbine se grade kao brzohodne turbine s brzinom vrtnje 3000 o/min.Termoelektrane postoje iu velikim industrijskim poduzećima.
Alternatori su jednostavnijeg dizajna i mogu se izgraditi sa znatno većom snagom od istosmjernih generatora.
Većina sinkronih strojeva koristi obrnuti dizajn u usporedbi s istosmjerni strojevi, tj. uzbudni sustav nalazi se na rotoru, a armaturni namot na statoru. To je zbog činjenice da je lakše dovoditi relativno malu struju u uzbudni svitak preko kliznih kontakata nego dovoditi struju u radni svitak. Magnetski sustav sinkronog stroja prikazan je na sl. 1.
Uzbudni polovi sinkronog stroja nalaze se na rotoru.Polne jezgre elektromagneta izrađuju se na isti način kao kod strojeva za istosmjernu struju. Na nepokretnom dijelu, statoru, nalazi se jezgra 2, izrađena od izoliranih limova elektrotehničkog čelika, u čijim kanalima se nalazi radna zavojnica za izmjeničnu struju - najčešće trofaznu.
Riža. 1. Magnetski sustav sinkronog stroja
Kada se rotor okreće, u namotu armature inducira se izmjenična EMF, čija je frekvencija izravno proporcionalna brzini rotora. Izmjenična struja koja teče kroz radnu zavojnicu stvara vlastito magnetsko polje. Rotor i polje radnog svitka rotiraju istom frekvencijom — sinkrono… U motornom načinu rada, okretno radno polje nosi sa sobom magnete uzbudnog sustava, au generatorskom načinu rada, obrnuto.
Pogledajte ovdje za više detalja: Namjena i raspored sinkronih strojeva
Razmislite o projektiranju najjačih strojeva — turbo i hidrogeneratora... Turbogeneratore pokreću parne turbine, koje su najekonomičnije pri velikim brzinama. Stoga se turbogeneratori izrađuju s minimalnim brojem polova sustava uzbude — dva, što odgovara najvećoj brzini vrtnje od 3000 o/min pri industrijskoj frekvenciji od 50 Hz.
Glavni problem inženjeringa turbogeneratora je stvaranje pouzdanog stroja s graničnim vrijednostima električnih, magnetskih, mehaničkih i toplinskih opterećenja. Ovi zahtjevi ostavljaju trag na cijelom dizajnu stroja (slika 2).
Riža. 2. Opći izgled turbinskog generatora: 1 — klizni prstenovi i četkasti aparat, 2 — ležaj, 3 — rotor, 4 — traka rotora, 5 — namot statora, 6 — stator, 7 — namoti statora, 8 — ventilator.
Rotor turbogeneratora izrađen je u obliku čvrstog otkovka promjera do 1,25 m, duljine do 7 m (radni dio). Ukupna duljina otkovka, uzimajući u obzir osovinu, iznosi 12 — 15 m. Na radnom dijelu glodaju se kanali u koje se postavlja uzbudna zavojnica. Tako se dobiva cilindrični bipolarni elektromagnet bez jasno definiranih polova.
U proizvodnji turbinskih generatora koriste se najnoviji materijali i konstrukcijska rješenja, posebice izravno hlađenje aktivnih dijelova mlazovima rashladnog sredstva - vodika ili tekućine.Da bi se dobila velika snaga, potrebno je povećati duljinu stroja, što mu daje vrlo poseban izgled.
Hidrogeneratori (slika 3) po konstrukciji se znatno razlikuju od turbinskih generatora. Učinkovitost rada hidrauličke turbine ovisi o brzini protoka vode, tj. napor. Nemoguće je stvoriti visoki pritisak na ravnim rijekama, stoga su brzine rotacije turbine vrlo niske - od desetaka do stotina okretaja u minuti.
Da bi se dobila industrijska frekvencija od 50 Hz, takvi strojevi s malim brojem okretaja moraju biti izrađeni s velikim brojem polova. Za smještaj velikog broja polova potrebno je povećati promjer rotora hidrogeneratora, ponekad i do 10-11 m.
Riža. 3. Uzdužni presjek krovnog generatora vodika: 1 — glavčina rotora, 2 — rub rotora, 3 — stup rotora, 4 — jezgra statora, 5 — namot statora, 6 — poprečna greda, 7 — kočnica, 8 — potisni ležaj, 9 — rukavac rotora.
Izgradnja snažnih turbo i hidrogeneratora je inženjerski izazov.Potrebno je riješiti niz problema mehaničkih, elektromagnetskih, toplinskih i ventilacijskih proračuna te osigurati proizvodnost konstrukcije u proizvodnji. Samo moćni dizajnerski i proizvodni timovi i tvrtke mogu se nositi s ovim zadacima.
Strukture različitih tipova vrlo su zanimljive. sinkroni mikrostrojevi, u kojima se široko koriste trajni magneti i reaktivni sustavi, tj. sustavi u kojima radno magnetsko polje ne djeluje s pobudnim magnetskim poljem, već s feromagnetskim istaknutim polovima rotora, koji nemaju namota.
Ipak, glavno tehnološko područje u kojem sinkroni strojevi danas nemaju konkurenciju je energija. Svi generatori u elektranama, od najjačih do mobilnih, temelje se na sinkronim strojevima.
Što se tiče sinkroni motori, onda je njihova slaba točka problem pokretanja. Sam po sebi, sinkroni motor obično ne može ubrzati. Da bi to učinio, opremljen je posebnom startnom zavojnicom koja radi na principu asinkronog stroja, što komplicira dizajn i sam proces pokretanja. Stoga su sinkroni motori općenito dostupni u srednjim do velikim snagama.
Donja slika prikazuje konstrukciju turbogeneratora.
Rotor 1 generatora izrađen je od čeličnog otkova, u kojem su izbrušeni utori za pobudni svitak, pogonjen posebnim istosmjernim strojem 10, koji se naziva pobudnik. Struja do namota rotora dovodi se kroz klizne prstenove zatvorene kućištem 9, na koje su spojene žice namota rotora.
Pri rotaciji rotor proizvodi veliku centrifugalnu silu.U utorima rotora, namot se drži metalnim klinovima, a čelični pričvrsni prstenovi 7 pritisnuti su na prednje dijelove.
Stator je sastavljen od utisnutih limova 2 od posebnog elektročeličnog čelika, koji su ojačani u okviru 3 zavarenom od čeličnog lima. Svaki list statora sastoji se od nekoliko dijelova, koji se nazivaju segmenti, koji su pričvršćeni s 4 vijka.
U kanalima statora položena je zavojnica 6, u čijim žicama se induciraju elektromotorne sile kada se rotor okreće. Elektromotorne sile serijski spojenih žica namotaja rastu i na stezaljkama 12 stvara se napon od nekoliko tisuća volti. Kada struje teku između žica namota, stvaraju se velike sile. Stoga su prednji dijelovi namota statora povezani prstenovima 5.
Rotor se okreće u ležajevima 8. Između ležaja i temeljne ploče postavljena je izolacija za prekidanje strujnog kruga, kroz koju se mogu zatvoriti struje ležaja. Drugi ležaj je napravljen zajedno sa parnom turbinom.
Za hlađenje generatora, stator je podijeljen u zasebne pakete, između kojih se nalaze ventilacijski kanali. Zrak pokreću ventilatori 11 montirani na rotoru.
Da bi se moćni generatori ohladili, potrebno je kroz njih protisnuti golemu količinu zraka, koja doseže desetke kubičnih metara u sekundi.
Ako se zrak za hlađenje uzima iz prostorija stanice, tada će uz prisutnost najneznatnijih količina prašine (nekoliko miligrama po kubnom metru) u njemu, generator biti kontaminiran prašinom u kratkom vremenu. Zbog toga se turbogeneratori grade sa zatvorenim sustavom ventilacije.
Zrak koji se zagrijava prilikom prolaska kroz ventilacijske kanale generatora ulazi u posebne hladnjake zraka smještene ispod kućišta turbogeneratora.
Tu zagrijani zrak prolazi između rebrastih cijevi hladnjaka zraka kroz koje teče voda i hladi se. Zrak se zatim vraća u ventilatore koji ga tjeraju kroz ventilacijske kanale. Na taj način se generator stalno hladi istim zrakom i prašina ne može ući u generator.
Brzina duž oboda rotora turbinskog generatora prelazi 150 m/s. Pri ovoj brzini velika količina energije se troši na trenje rotora u zraku. Na primjer, u turbogeneratoru snage 50 000 kWVt gubici energije zbog trenja zraka iznose 53% zbroja svih gubitaka.
Kako bi se smanjili ti gubici, unutarnji prostor snažnih turbogeneratora nije ispunjen zrakom, već vodikom. Vodik je 14 puta lakši od zraka, odnosno ima slično manju gustoću, zbog čega su gubici trenja rotora značajno smanjeni.
Kako bi se spriječila eksplozija oksivodika, nastalog iz smjese vodika i kisika u zraku, unutar generatora je postavljen tlak viši od atmosferskog. Zbog toga atmosferski kisik ne može prodrijeti u generator.
3D model generatora parne turbine:
Edukativna vrpca koju je izradila tvornica školskog pribora 1965. godine:
Sinkroni generatori
