Основним елементом електричної частини електростанції є синхронний генератор (СГ) змінного струму з трифазною обмоткою на статорі. У генераторі відбувається перетворення механічної енергії обертання турбіни в електроенергію. Синхронний генератор є джерелом як активної (Р. МВт), так і реактивної (Q. Мвар) потужності.
Розглянемо коротко принцип дії синхронного генератора незалежно від типу турбіни.
Структурно СГ складається з двох основних елементів:
1) нерухомий статор, в якому покладена трифазна обмотка змінного струму;
2) обертається ротор, в якому покладена обмотка збудження постійного струму.
Обмотка статора подібна нерухомою рамці. Ротор подібний магніту, який обертається усередині рамки. Магнітні властивості ротор набуває за рахунок того, що по його обмотці пропускається постійний струм. Цей струм подається від системи збудження. Магнітне поле ротора пронизує рамку, причому магнітний потік змінюється в часі, так як ротор обертається. Отже, за законом електромагнітної індукції Фарадея в рамці створюється ЕРС. При включенні генератора в мережу, тобто при замиканні обмотки статора на деяку електричну навантаження, в цій обмотці буде протікати змінний струм. При цьому статор також придбає магнітні властивості.
Обмотка статора - трифазна. Це означає, що в статорі поміщені по суті три різні обмотки, укладені під кутом 120 ° один до одного. Тому що протікають по ним струми теж є трифазними. В цьому випадку електромагнітне поле статора буде обертатися, причому з тією ж частотою, що і ротор. Саме тому генератор називають синхронним.
Взаємодія магнітних полів ротора і статора створює електромагнітний момент, спрямований в генераторному режимі електричної машини назустріч механічному моменту, створеному парової, газової або гідравлічної турбіною. У разі рівності цих двох моментів ротор генератора буде обертатися з постійною швидкістю, забезпечуючи стабільну частоту ЕРС обмотки статора, що збігається з частотою напруги мережі. Частота обертання ротора (n. Об / хв) пов'язана з частотою синусоїдального струму (f. Гц) за формулою:
де р - число пар полюсів ротора.
Мінімальна кількість пар полюсів р = 1, а значить максимальна частота обертання при f = 50 Гц становить:
n = 60 # 8729; 50/1 = 3000 об / хв.
При збільшенні числа полюсів частота обертання буде знижуватися.
Вище викладено загальний принцип дії будь-якого синхронного генератора. Розглянемо далі особливості виконання і експлуатації турбо- і гідрогенераторів.
Турбогенератори застосовуються на ТЕС і АЕС. У разі ТЕС і АЕС з установками ПТУ на одному валу з ротором генератора обертається парова турбіна, в разі ТЕС з установками ГТУ - газова турбіна. Вісь обертання турбогенератора горизонтальна.
Ротор турбогенератора обертається, як правило, з частотою 3000 об / хв (при одній парі полюсів) або рідше з частотою 1500 об / хв (при двох парах полюсів). Швидкохідність турбогенератора визначає його конструктивні особливості.
Ротор турбогенератора виконують цілісним, у вигляді сталевого циліндра, який називають «бочка ротора». Зовні цього циліндра фрезерують пази, в які укладають обмотку постійного струму.
При частоті обертання 3000 об / хв довжина ротора може досягати 8 м, діаметр - 1,25 м. Максимальна довжина визначається міцністю стали на вигин. Максимальний діаметр обмежений швидкістю обертання ротора. При більшому діаметрі відцентрові сили стають настільки великі, що призводять до пластичної деформації стали ротора. Граничні розміри ротора турбогенератора обмежуються можливостями сучасної металургії.
Статор набирають з численних досить тонких (товщиною близько 0,5 мм) сталевих пластин. Їх форма дозволяє укладати в утворилися пази обмотку статора. Між статором і ротором забезпечується невеликий зазор порядку декількох см. Чим менше зазор, тим краще взаємодіють магнітні поля ротора і статора, з іншого боку - тим складніше запобігти зачіпання рухомих частин об нерухомі.
Для великих турбогенераторів характерним є наступний ряд напруг: 6,3; 10,5; 15,75; 18; 20; 24 кВ. Тільки окремі машини з водо-олійно системою охолодження, які випускає Новосибірський електротехнічний завод, типу ТВМ-500УЗ, виконуються на номінальну напругу 36,75 кВ. Напруга Uн = 27 кВ замість Uн = 24 кВ передбачається ввести для потужних блоків з реакторами ВВЕР-1200. Номінальні активні потужності в даний час досягають максимальної величини Рн = 1200 МВт.
Параметри турбогенераторів наведені в довіднику [1] (табл. 2.1 на стор. 76).
Далі розглянемо гідрогенератори і порівняємо їх з турбогенераторами.
Гідрогенератори застосовуються на ГЕС і ГАЕС. Зазвичай вісь обертання гідрогенератора, на відміну від турбогенераторів, вертикальна. Це обумовлено конструктивними особливостями гідротурбін. З цього правила є винятки - наприклад, гідрогенератор капсульного типу.
Гідрогенератори є тихохідними машинами. Частота їх обертання не перевищує, як правило, 600 об / хв. Ця обставина визначає конструктивні особливості гідрогенераторів.
Ротор гідрогенератора, на відміну від турбогенератора, виконують не цільним, а у вигляді колеса з ободом і спицями. Зовні цього колеса кріплять обмотку постійного струму ротора.
Діаметр ротора гідрогенератора може досягати 20 м при висоті 5 м. Великий діаметр ротора визначається наступним. Чим менше швидкість обертання ротора, тим більше потрібно створити полюсів, щоб отримати частоту 50 Гц. Для можливості розміщення великої кількості полюсів потрібна певна довжина зовнішньої окружності ротора. Так, наприклад, гідрогенератори Красноярської ГЕС мають частоту обертання n = 93,8 об / хв, що відповідає числу пар полюсів р = 60 # 8729; 50 / 93,8 = 32 або числу полюсів 64. Щоб розмістити таку кількість полюсів на ободі, діаметр ротора довелося прийняти 16 м.
Статори потужних гідрогенераторів настільки великі в діаметрі, що доставляються на споруджують ГЕС не повністю, а у вигляді окремих секторів.
Для великих гідрогенераторів характерним є наступний ряд напруг: 6,3; 10,5; 13,8; 15,75 кВ. Окремі машини виконуються на номінальну напругу 14,4 і 16,5 кВ. Номінальні активні потужності в даний час досягають максимальної величини Рн = 640 МВт (агрегати Саяно-Шушенській ГЕС). Планується створення гідроагрегатів одиничною потужністю Рн = 1000 МВт. Параметри гідрогенераторів наведені в довіднику [1] (табл. 2.2 на стор. 82).
Дуже важливою є задача охолодження генераторів. Під час роботи з обмоток статора і ротора проходять струми, що викликають їх нагрівання. Під впливом цих же струмів в генераторі виникає магнітний потік, що призводить до нагрівання статора і ротора. Одночасно нагріваються конструктивні частини машини - вал, підшипники, підп'ятники і т. Д. Нагрівання є головною причиною прискореного старіння ізоляції. Для відводу теплоти в статорі і роторі передбачають вентиляційні канали та спеціальні пристрої (вентилятори на валу машини, насоси для подачі охолоджуючої рідини). Охолодження генераторів може бути повітряним, водневим, водяним, масляним).
За способом відведення тепла розрізняють непряме і безпосереднє охолодження.
При непрямому охолодженні охолоджуючий газ (повітря або водень) за допомогою вентиляторів, вбудованих в торці ротора, подається всередину генератора і проганяється через зазор між статором і ротором і вентиляційні канали. При цьому охолоджуючий газ не стикається з провідниками обмоток, а що виділяється ними тепло віддається газу через ізоляцію.
При безпосередньому - охолоджуючу речовину (газ або рідина) пропускається через спеціальні внутрішні канали порожнистих провідників і стикається з ними безпосередньо, минаючи ізоляцію і сталь зубців.
Повітряна непряма система охолодження застосовується для турбогенераторів порівняно малої потужності і більшість гідрогенераторів. Нагріте в генераторі повітря викидається в повітроохолоджувач, а потім надходить назад в генератор. Зазвичай застосовують замкнуту систему циркуляції, коли один і той же повітря проходить через генератор.
Водень володіє вищими охолоджуючими властивостями, ніж повітря. Його коефіцієнт теплопровідності в 7,2 рази вище, а щільність в 14 разів менше, ніж у повітря, що значно знижує вентиляційні втрати. Ізоляція в середовищі водню, що не окислюється, тому підвищується її термін служби. Водень не підтримує горіння, тому при внутрішніх пошкодженнях в машині ймовірність пожежі менше, ніж при повітряному охолодженні. З іншого боку при певних пропорціях суміш водню і кисню стає вибухонебезпечною. Щоб виключити небезпеку утворення гримучої суміші, тиск водню в корпусі генератора повинно бути трохи вище атмосферного тиску навколишнього повітря. Для виключення витоків водню з корпусу генератора застосовуються масляні ущільнення між рухомими і нерухомими частинами. Для запобігання утворенню гримучої суміші при ремонтах водень спочатку витісняють з корпусу генератора інертним газом (вуглекислим або азотом), а потім цей газ витісняється повітрям. Заповнення корпусу воднем проводиться в зворотному порядку.
Ще більш ефективним агентом для охолодження генераторів є вода, тепловіддача якої перевищує в 40-50 разів тепловіддачу повітря. Дистильована вода надходить в порожнисті мідні провідники обмоток. Водяне охолодження зазвичай комбінується з водневим, але існує і чисто водяна система охолодження, що отримала назву «три води». У цій системі водою охолоджуються обмотки статора і ротора, а також муздрамтеатр.
Використання масла крім завдань охолодження дозволяє заощадити на ізоляції обмотки статора - тобто застосувати порівняно дешеву і надійну паперово-масляну ізоляцію кабельного типу. За рахунок цього можна застосовувати більш високу номінальну напругу генератора. Так, наприклад, генератор ТВМ-500 спроектований на підвищену напругу 36,75 кВ, в той час, як у звичайних генераторів такої ж потужності використовується напруга 20 кВ. Таке збільшення номінальної напруги дозволило майже в два рази зменшити струм статора і відповідно полегшити струмопровідні частини. Однак через складнощі в експлуатації масляна система охолодження великого поширення не отримала.
Для турбогенераторів застосовують всі види охолодження. Повітряна система охолодження турбогенераторів має обмеження. Це пов'язано з тим, що гладкий суцільний циліндр ротора охолоджується тільки з боку повітряного зазору.
Гідрогенератори через великі обсягів і труднощів герметизації їх корпусу виконують зазвичай з повітряним охолодженням. Також вибору повітря в якості охолоджувача сприяє той факт, що гідрогенератори мають бóБільшу поверхню охолодження, ніж турбогенератори, через великого діаметру ротора. Але при великих потужностях (понад 250 МВт), наприклад на генераторах Красноярської ГЕС (агрегати 500 МВт) застосовують водяне охолодження обмотки статора і повітряне охолодження сердечника і обмотки ротора.