8.1. Конструкции синхронных генераторов

Практически вся промышленная электрическая энергия в мире вырабатывается на ТЭС, ГЭС и АЭС. В России в настоящее время тепловые электростанции вырабатывают примерно 70 %, атомные и гидравлические — по 15 % общего количества электроэнергии. Стоимость единицы вырабатываемой электроэнергии на каждом из этих трёх видов станций резко различается, так как у них: разные капитальные затраты при сооружении, расходы на эксплуатацию, уровень автоматизации, степень надёжности, зависимость от сезона и особенностей их климатического и географического расположения и многих других обстоятельств. Объединяет их одно - они вырабатывают электрическую энергию со стандартной частотой 50 периодов в секунду, или 50 Гц и номинальным напряжением. Равенство частот сотен одновременно работающих генераторов обеспечивается специальным типом этих электрических машин - синхронными генераторами (СГ), работающими одновременно, в ритме единого времени, со строго определёнными частотами вращения своих подвижных частей - роторов. Синхронные генераторы (переменного тока) преобразуют механическую энергию вращения турбины в электрическую энергию. Синхронный генератор состоит из неподвижной части - статора и вращающейся - ротора (рис.8.1).

На статоре размещены три одинаковых фазных обмотки А, В и С, пространственно смещённых друг относительно друга по окружности на 120^о; при протекании тока по фазным обмоткам создаётся вращающееся магнитное поле. Ротор СГ представляет собой электромагнит постоянного тока. Его обмотка, называемая обмоткой возбуждения, питается постоянным током от постороннего источника (возбудителя, системы возбуждения). Синхронный генератор является обратимой синхронной машиной - при подключении обмоток статора к источнику трёхфазной ЭДС, а обмотки ротора к источнику постоянного напряжения синхронный генератор становится синхронным двигателем; скорость вращения его ротора равна скорости вращающегося магнитного поля.
Ротор выполняется либо с сосредоточенной обмоткой, в этом случае ротор и сам генератор называются явнополюсными, либо с распределённой при этом ротор и генератор называются неявнополюсными.
Ротор приводится во вращение первичным двигателем (источником механической энергии). Чаще всего - это паровая, газовая или гидравлическая турбина, создающая механический вращающий момент. Частота вращения турбины может быть различной - в диапазоне от десятков до сотен и даже тысяч оборотов в минуту: более высокая в паротурбинных и газотурбинных установках, низкая - для гидравлических турбин. Постоянный ток на вращающуюся обмотку возбуждения 4 подаётся через контактные кольца 5. При вращении ротора магнитное поле обмотки возбуждения перемещается относительно неподвижной обмотки статора 3, размещенной в пазах сердечника статора 1, при этом в ней индуктируется (наводится) электродвижущая сила (ЭДС). Частота ЭДС ƒ равна произведению частоты вращения ротора n в оборотах в секунду на число пар полюсов ротора p (на рис. 8.1 p=2 , т.е. число полюсов2p=4 ), отсюда ƒ=pn .
Синхронные генераторы, вращаемые паро- и газовыми турбинами, называются турбогенераторами (ТГ), а вращаемые гидравлическими турбинами – гидрогенераторами (ГГ).
Большинство турбогенераторов страны имеют число пар полюсов равное единице, значит для сети 50 Гц n= ƒ /p = 50 об/с или n=60 ƒ /p = 3000 об/мин. Для стран, где принята частота напряжения 60 Гц (США, Япония, Бразилия и др.), частота вращения ротора составляет 3600 об/мин. Для генераторов с большим, чем единица, числом пар полюсов частота вращения роторов будет частным от деления 3000 (или 3600) на число пар полюсов.
Внешний вид явнополюсного ротора (2p=12 ) представлен на рис. 8.2. Неявнополюсный ротор, у которого обмотка возбуждения не сосредоточенная, а распределённая по пазам, показан на рис. 8.3.
Ротор турбогенератора является неявнополюсным и представляет собой стальной массивный цилиндрический сердечник (набранный из изолированных друг от друга ферромагнитных листов - для снижения потерь от протекающих вихревых токов), в котором выфрезированы канавки для размещения обмотки возбуждения.


Ротор турбогенератора имеет, как правило, одну пару полюсов (p =1 один электромагнит), поэтому для генерирования ЭДС со стандартной частотой ƒ =50 Гц ротор должен вращаться со скоростью n = 3000 об/мин. Иногда ротор турбогенератора имеет две пары полюсов ( p=2), в частности роторы турбогенераторов АЭС (параметры пара на АЭС ниже, чем на ТЭС); при этом скорость вращения ротора n= 1500 об/мин. Это очень большие скорости вращения - им соответствуют очень большие центробежные силы. Поэтому неявнополюсный ротор имеет достаточную механическую прочность.
Роторы гидрогенераторов имеют скорость вращения примерно в 6-60 раз меньшую скорости вращения роторов турбогенераторов; при этом центробежные силы, действующие на ротор значительно меньшие, следовательно, требования по механической прочности значительно ниже. Ротор гидрогенератора состоит из массивного стального колеса с укреплённым на нём полюсными башмаками, на которых размещается обмотка возбуждения в виде катушек. Такая конструкция ротора позволяет разместить на нём большое число пар полюсов, что необходимо для гидрогенераторов, роторы которых вращаются с небольшой скоростью. Число пар полюсов роторов гидрогенераторов может быть даже дробным. Конечно физически не может быть число пар полюсов дробным, такой эффект достигается соответствующей конструкцией обмотки возбуждения.
Скорости вращения роторов ГГ не стандартизированы; они зависят от используемых для ГЭС водных источников (расход воды, напор и т.д.). Поэтому для каждой ГЭС ГГ проектируются индивидуально.
Диаметры роторов ТГ на n = 3000 об/мин находятся в диапазоне 1,1-1,25 м при длине до 8 м. Роторы ГГ достигают в диаметре 15-20 м при длине до 5 м. Массы ГГ достигают 1,5-2 тыс. тонн и в несколько раз превышают массы аналогичных по мощности ТГ, делая невозможным применение горизонтального расположения валов с простыми подшипниками скольжения. Для формирования магнитного потока заданной конфигурации и уменьшения магнитного сопротивления по пути его прохождения магнитопроводы ротора и статора генератора изготавливают из ферромагнитных материалов. Для этой цели используются магнитомягкие материалы — электротехническая сталь с узкой гистерезисной петлёй (зависимость ), так как потери на гистерезис пропорциональны площади петли.
На электростанциях России используются генераторы, изготовленные, в основном, на следующих заводах: «Электросила», г. С.Петербург; «Сибэлектро¬тяжмаш», «Электротяжмаш», г. Харьков.