Com es disposen els turbos i hidrogeneradors síncrons?
A les centrals hidroelèctriques, els generadors són accionats per turbines d'aigua que giren a velocitats de 68 a 250 rpm.A les centrals tèrmiques, l'energia elèctrica la generen unitats de turbina formades per una turbina de vapor i un generador de turbina. Per a un millor aprofitament de l'energia del vapor, les turbines es construeixen com a turbines d'alta velocitat amb una velocitat de rotació de 3000 rpm.També hi ha plantes tèrmiques disponibles a les grans empreses industrials.
Els alternadors tenen un disseny més senzill i es poden construir amb molta més potència que els generadors de corrent continu.
La majoria de màquines síncrones utilitzen un disseny invertit en comparació amb Màquines de corrent continu, és a dir el sistema d'excitació es troba al rotor i el bobinatge de l'induït a l'estator. Això es deu al fet que és més fàcil subministrar un corrent relativament baix a la bobina d'excitació mitjançant contactes lliscants que subministrar corrent a la bobina de funcionament. El sistema magnètic d'una màquina síncrona es mostra a la Fig. 1.
Els pols d'excitació de la màquina síncrona es troben al rotor.Els nuclis de pols dels electroimants es fabriquen de la mateixa manera que en les màquines de corrent continu. A la part estacionària, l'estator, hi ha un nucli 2, fet de làmines aïllades d'acer elèctric, als canals del qual hi ha una bobina de treball per al corrent altern, normalment trifàsica.
Arròs. 1. Sistema magnètic d'una màquina síncrona
Quan el rotor gira, s'indueix una fem alterna a l'enrotllament de l'induït, la freqüència del qual és directament proporcional a la velocitat del rotor. El corrent altern que flueix per la bobina de treball crea el seu propi camp magnètic. El rotor i el camp de la bobina de treball giren a la mateixa freqüència - de manera sincrònica… En el mode motor, el camp de treball giratori porta amb si els imants del sistema d'excitació, i en el mode generador, viceversa.
Vegeu aquí per a més detalls: Finalitat i disposició de les màquines síncrones
Penseu en dissenyar les màquines més potents: turbos i hidrogeneradors... Els generadors de turbina són accionats per turbines de vapor, que són més econòmiques a altes velocitats. Per tant, els generadors de turbina es fabriquen amb un nombre mínim de pols del sistema d'excitació, dos, que correspon a una velocitat de rotació màxima de 3000 rpm a una freqüència industrial de 50 Hz.
El principal problema de l'enginyeria de turbogeneradors és la creació d'una màquina fiable amb els valors límit de càrregues elèctriques, magnètiques, mecàniques i tèrmiques. Aquests requisits deixen una empremta en tot el disseny de la màquina (Fig. 2).
Arròs. 2. Vista general del generador de turbina: 1 — anells i aparells de raspall, 2 — coixinet, 3 — rotor, 4 — tira de rotor, 5 — bobinat de l'estator, 6 — estator, 7 — bobinat de l'estator, 8 — ventilador.
El rotor d'un generador de turbina es fa en forma d'una forja sòlida amb un diàmetre de fins a 1,25 m, una longitud de fins a 7 m (part de treball). La longitud total de la forja, tenint en compte l'eix, és de 12 a 15 m. Els canals es fresen a la part de treball, en la qual es col·loca la bobina d'excitació. Així, s'obté un electroimant bipolar cilíndric sense pols clarament definits.
En la producció de generadors de turbines, s'utilitzen els últims materials i solucions de disseny, en particular, el refredament directe de les parts actives mitjançant raigs d'un agent refrigerant - hidrogen o líquid. Per obtenir una gran potència, cal augmentar la longitud. de la màquina, que li dóna un aspecte molt especial.
Els hidrogeneradors (Fig. 3) difereixen significativament en la seva construcció dels generadors de turbina. L'eficiència del funcionament de la turbina hidràulica depèn de la velocitat del flux d'aigua, és a dir. esforç. És impossible crear alta pressió en rius plans, per tant, les velocitats de rotació de la turbina són molt baixes, de desenes a centenars de revolucions per minut.
Per obtenir una freqüència industrial de 50 Hz, aquestes màquines de baixa velocitat s'han de fabricar amb un gran nombre de pols. Per acomodar un gran nombre de pals, cal augmentar el diàmetre del rotor de l'hidrogenerador, de vegades fins a 10-11 m.
Arròs. 3. Secció longitudinal d'un generador d'hidrogen de paraigua: 1 — cub del rotor, 2 — vora del rotor, 3 — pol del rotor, 4 — nucli de l'estator, 5 — bobinat de l'estator, 6 — biga transversal, 7 — fre, 8 — coixinet d'empenta, 9 - màniga del rotor.
Construir turbos i hidrogeneradors potents és un repte d'enginyeria.Cal resoldre una sèrie de problemes de càlculs mecànics, electromagnètics, tèrmics i de ventilació i garantir la fabricabilitat de l'estructura en producció. Només els equips de disseny i producció potents i les empreses poden gestionar aquestes tasques.
Són molt interessants les estructures de diferents tipus. micromàquines síncrones, en què s'utilitzen àmpliament els imants permanents i els sistemes reactius, és a dir. sistemes en què el camp magnètic de treball interacciona no amb el camp magnètic d'excitació, sinó amb els pols sortints ferromagnètics del rotor, que no tenen bobinatge.
Tanmateix, la principal àrea tecnològica on les màquines síncrones no tenen competidors avui dia és l'energia. Tots els generadors de les centrals elèctriques, des dels més potents fins als mòbils, es basen en màquines síncrones.
Pel que fa a motors síncrons, llavors el seu punt feble és el problema d'inici. Per si sol, un motor síncron normalment no pot accelerar. Per fer-ho, està equipat amb una bobina d'arrencada especial que funciona segons el principi d'una màquina asíncrona, cosa que complica el disseny i el procés d'arrencada en si. Per tant, els motors síncrons estan generalment disponibles en potències mitjanes i altes.
La figura següent mostra la construcció d'un generador de turbina.
El rotor 1 del generador està fet d'acer forjat, en el qual es fresen les ranures per a la bobina d'excitació, accionada per una màquina especial de corrent continu 10, anomenada excitador. El corrent al bobinat del rotor es subministra a través d'anells lliscants tancats per la carcassa 9, els cables del bobinat del rotor s'hi connecten.
Quan gira, el rotor produeix una gran força centrífuga.A les ranures del rotor, el bobinatge es subjecta per falques metàl·liques i els anells de retenció d'acer 7 es pressionen contra les parts frontals.
L'estator està muntat a partir de làmines estampades 2 d'acer elèctric especial, que estan reforçades en un marc 3 soldat amb xapa d'acer. Cada fulla d'estator consta de diverses parts, anomenades segments, que es fixen amb 4 cargols.
Als canals de l'estator, es col·loca una bobina 6, en els cables de la qual s'indueixen forces electromotrius quan gira el rotor. Les forces electromotrius dels cables de bobinatge connectats en sèrie augmenten i es genera una tensió de diversos milers de volts als terminals 12. Quan els corrents flueixen entre els cables del bobinat, es creen grans forces. Per tant, les parts frontals del bobinatge de l'estator estan connectades per anells 5.
El rotor gira en els coixinets 8. Entre el coixinet i la placa base es col·loca un aïllament de tall de circuit, a través del qual es poden tancar els corrents del coixinet. El segon coixinet es fa juntament amb una turbina de vapor.
Per refredar el generador, l'estator es divideix en paquets separats, entre els quals es troben els conductes de ventilació. L'aire és impulsat per ventiladors 11 muntats al rotor.
Per refredar generadors potents, cal empènyer una gran quantitat d'aire a través d'ells, arribant a desenes de metres cúbics per segon.
Si l'aire de refrigeració es pren de les instal·lacions de l'estació, amb la presència de les quantitats més insignificants de pols (uns quants mil·ligrams per metre cúbic) el generador es contaminarà amb pols en poc temps. Per tant, els generadors de turbina es construeixen amb un sistema de ventilació tancat.
L'aire, que s'escalfa en passar pels canals de ventilació del generador, entra en refrigeradors d'aire especials situats sota la carcassa del generador de turbina.
Allà, l'aire escalfat passa entre els tubs amb aletes del refrigerador d'aire, pels quals flueix l'aigua, i es refreda. Després, l'aire es retorna als ventiladors, que el propulsen pels conductes de ventilació. D'aquesta manera, el generador es refreda contínuament amb el mateix aire i la pols no pot entrar dins del generador.
La velocitat al llarg de la circumferència del rotor d'un generador de turbina supera els 150 m / s. A aquesta velocitat, es gasta una gran quantitat d'energia en la fricció del rotor a l'aire. Per exemple, en un generador de turbina amb una potència de 50.000 kWVt, les pèrdues d'energia per fricció de l'aire són el 53% de la suma de totes les pèrdues.
Per reduir aquestes pèrdues, l'espai intern dels potents generadors de turbina no s'omple d'aire, sinó d'hidrogen. L'hidrogen és 14 vegades més lleuger que l'aire, és a dir, té una densitat més baixa similar, a causa de la qual les pèrdues per fricció del rotor es redueixen significativament.
Per tal d'evitar una explosió d'oxihidrogen, formada a partir d'una barreja d'hidrogen i oxigen a l'aire, s'estableix una pressió superior a la atmosfèrica a l'interior del generador. Per tant, l'oxigen atmosfèric no pot penetrar al generador.
Model 3D d'un generador de turbina de vapor:
Una cinta educativa creada per la fàbrica de material escolar l'any 1965:
Generadors síncrons
