2.2.5 Турбогенераторы

Преобразование механической энергии вращения вала паровой турбины в электрическую энергию осуществляется с помощью синхронных электрических машин. Основными элементами синхронной электрической машины являются неподвижный статор и вращающийся ротор с обмоткой возбуждения постоянного тока, выведенной во внешнюю цепь через два контактных кольца.

Статор представляет собой полый цилиндр, набранный из листов электротехнической стали. Внутренняя поверхность статора имеет пазы, в которые укладываются трехфазная обмотка статора, выполняемая из медного изолированного провода. Фазы обмотки, идентичные друг другу, смещены относительно друг друга по окружности статора на угол 120º, образуя симметричную трехфазную систему. Начала фазных обмоток А,В,Счерез изоляторы выводятся наружу, а концы обмотокХ,У,Zсоединяются в общую точкуN— нейтраль.

Роторы синхронных машин могут выполняться явнополюсными и неявнополюсными (рис. 2.9). Явнополюсный ротор собирается из отдельных частей (рис. 2.9а), а обмотка возбуждения выполняется в виде катушек 1, которые размещают на полюсах 2 и крепят полюсными наконечниками 3. Полюсы укрепляются на крестовине ротора.

Обмотка возбуждения неявнополюсных роторов закладывается в пазы, выполненные фрезерованием в сплошной стальной поковке, и крепится стальными клиньями. Лобовые части обмотки крепят стальными кольцевыми бандажами. Такая конструкция обеспечивает высокую механическую прочность ротора.

Синхронная машина является обратимой, то есть она может работать как в двигательном, так и в генераторном режиме. Однако в большинстве случаев она используется в качестве генератора, то есть является синхронным генератором.

Рассмотрим работу синхронного генератора. От внешнего источника на обмотку возбуждения ротора через неподвижные щетки и контактные кольца подается постоянный ток, создающий магнитное поле ротора, то есть возбужденный ротор представляет собой электромагнит. Приведенный во вращение возбужденный ротор своим магнитным полем пересекает трехфазную обмотку статора и в соответствии с законом электромагнитной индукции наводит в проводниках статора трехфазную ЭДС. Так как каждый из проводников обмотки статора оказывается попеременно то в зоне северного N магнитного полюса, то в зоне южного S полюса, в фазах обмотки статора наводятся переменные ЭДС:

где E_m— максимальное (амплитудное) значение ЭДС, аf— ее частота.

При подключении выводов фаз обмоток статора к трехфазной нагрузке по фазам обмотки и фазам нагрузки будет протекать переменный ток.

Из принципа работы синхронного генератора следует, что частота вырабатываемого им тока жестко связана со скоростью вращения (числом оборотов) ротора. Все электростанции (за исключением небольшого числа электростанций специального назначения) вырабатывают ток стандартной промышленной частоты 50 Гц. Поэтому число оборотов (в минуту) ротора синхронного генератора определяется исключительно числом пар полюсов ротора:

об./мин.,

где p— число пар полюсов.

Паровые турбины являются быстроходными машинами, поэтому работающие с ними генераторы имеют, как правило, одну пару полюсов (p= 1). Следовательно, число оборотов генератора и турбины должно быть равно 3000 об./мин. Намного реже применяются генераторы с двумя парами полюсов и числом оборотов 1500 об./мин.

Все генераторы, предназначенные для работы с паровыми турбинами, выполняются с неявнополюсным ротором, так как при высоких скоростях вращения механическая прочность явнополюсного ротора оказывается недостаточной.

Синхронные генераторы, предназначенные для работы с паровыми турбинами, выпускаются под конкретный тип турбины и называются турбогенераторами. Линейные напряжения на выходе обмоток статора турбогенератора могут составлять 6,3; 10,5; 21; 24 и 27 кВ (бóльшие значения соответствуют более мощным генераторам)

Обмотка возбуждения ротора турбогенератора может получать питание как от возбудителя — генератора постоянного тока небольшой мощности, устанавливаемом на одном валу с турбогенератором, — так и от выпрямителя, питающегося от сети собственных нужд станции.

В процессе работы генератора происходит его нагрев, прежде всего из-за выделения тепла в обмотках, обтекаемых током. Поэтому существенное значение имеет эффективность системы охлаждения.

Генераторы малой мощности (1...30 МВт) имеют воздушное охлаждение внутренних поверхностей по проточной (разомкнутой) или регенеративной (замкнутой) схеме. На генераторах средней мощности (25...100 МВт) применяют поверхностное водородное охлаждение по замкнутой схеме, что более эффективно, но требует применения специальных мер безопасности. Мощные генераторы (более 100 МВт) имеют форсированное водородное, водяное или масляное охлаждение, при котором охладитель прокачивается под давлением внутри статора, ротора, обмоток по специальным полостям (каналам).