5.2.2 Дифференциальное уравнение движения ротора и принцип регулирования активной мощности генератора.

Дифференциальное уравнение движения ротора имеет вид: , где М – сумма моментов внешних сил, приложенных к ротору; J – момент инерции вращающихся роторов турбины и генератора.

На ротор генератора действуют следующие моменты:

1. М_Т – момент турбины, который является движущим моментом;

2. М_ЭМ – момент электромагнитных сил, который является тормозящим. Он возникает при подключении генератора к электрической сети, когда в фазных обмотках статора протекают токи. Они создают вращающееся со скоростью ротора магнитное поле статора. Магнитное поле обмотки статора вращается с той же частотой вращения, что и ротор. При определенных фазовых соотношениях между вектором плотности тока в обмотке возбуждения и вектором магнитного поля статора и возникает этот момент электромагнитных сил.

3. При анализе работы генератора на холостом ходу необходимо учитывать М₀ – момент механических сил имеющих характер трения (в подшипниках, ротора об охлаждающую среду в зазоре и т.п.), этот момент является тормозящим (величина этого момента много меньше первых двух при работе генератора в номинальном режиме или близком к нему, в этом случае мы будем им пренебрегать)

На основании выше изложенного:

В нормальных режимах работы частота f должна быть постоянной и равной f_Н, отсюда на основании (5.9) следует постоянство скорости Ω и равенство нулю ее производной, а это приводит к тому, что М_Т=М_ЭМ. От моментов при заданной скорости вращения можно перейти к мощностям: Р_Т=М_ТΩ=М_ЭМΩ=Р_ЭМ. Здесь Р_Т – мощность, поступающая к генератору от турбины, Р_ЭМ – электромагнитная мощность – мощность, которая передается с ротора на статор. За вычетом активных потерь в обмотке статора это мощность, которая передается в нагрузку, в сеть, в виде активной мощности Р.

Т.к. генератор является трехфазным, то его активная мощность является суммой активных мощностей трех его фаз: , здесь φ – угол нагрузки. В нормальных режимах работы генератора все фазные напряжения равны между собой и равны некоторой величине U_ф, а все фазные токи тоже равны между собой и равны некоторой величине I_ф., поэтому можно написать: .

Таким образом, если необходимо изменить отдаваемую генератором в нагрузку активную мощность, то надо изменить мощность турбины Р_Т или, что то же – момент М_Т, а для этого надо изменить количество энергоносителя (пара или воды), пропускаемого через турбину.

Признаком нарушения равенства моментов М_Т и М_ЭМ является изменение частоты f генерируемой ЭДС по отношению к номинальной f_Н=50 Гц. Например, при М_Т>М_ЭМ частота будет возрастать и необходимо уменьшить количество энергоносителя, а при М_Т<М_ЭМ частота будет падать и необходимо увеличить количество энергоносителя.

5.2. Особенности конструкции турбо и гидрогенераторов.

Синхронные генераторы, вращаемые паро- и газовыми турбинами, называются турбогенераторами, а вращаемые гидравлическими турбинами — гидрогенераторами. Особенности конструкции турбо – и гидрогенераторов обусловлены разными скоростями вращения соответствующих турбин.

Имеет место зависимость: чем выше скорость вращения турбины, тем меньше её габариты и больше КПД. Паровые турбины имеют большую скорость вращения, так как при этом они наиболее экономичны. Поэтому турбогенераторы являются высокоскоростными, а это накладывает определенные условия на их конструкцию. На ТЭС турбины вращаются со скоростью n=3000 об/мин. Согласно (5.10) роторы турбогенераторов должны иметь одну пару полюсов (р=1). Турбогенератор, вращаемый паровой или газовой турбиной, имеет горизонтально расположенный ротор, опирающийся на два подшипника скольжения.

Большие скорости вращения ротора отражаются на его конструкции — это цилиндрическая, цельнокованая поковка из специальной легированной стали. Вдоль поверхности ротора, в активной его части, фрезеруют радиальные пазы, в которые укладывается обмотка возбуждения. Пазы закрываются клиньями, а в лобовой части обмотка укрепляется бандажными кольцами. Ротор турбогенератора гладкий, неявнополюсный. Из-за больших скоростей вращения Ω конструкция ротора испытывает действие больших центробежных сил ( ). Для их уменьшения приходится ограничивать его диаметр D величиной 1,1 — 1,2 м. Длину ротора также ограничивают величиной порядка 6 — 6,5 м из-за возможного опасного прогиба ротора, опирающегося на подшипники.

Сердечник статора шихтуется из листов электротехнической стали в пакеты, между которыми образуются вентиляционные каналы для охлаждения сердечника. В пазы статора укладываются фазные обмотки, закрепляемые деревянными или текстолитовыми клиньями, а лобовые части тщательно прикрепляются к конструктивным частям статора. Вся конструкция турбогенератора помещается в корпус. Корпус статора изготовляется сварным и с торцов закрывается щитами с герметическими уплотнениями.

На некоторых АЭС ввиду низких параметров пара целесообразно применять четырехполюсные генераторы (р = 2) с частотой вращения 1500 об/мин.

Масса электрической машины возрастает с уменьшением частоты ее вращения. Гидрогенераторы имеют частоту вращения примерно в 6—60 раз меньшую, чем турбогенераторы.

Частота вращения гидрогенератора принимается равной наиболее выгодной частоте вращения турбины, отвечающей при данных напоре (Н) и расходе воды наилучшим гидравлическим характеристикам турбины и её наибольшей экономичности:

, (5.11)

где: К_б - коэффициент быстроходности зависящий от типа турбины, об/мин;

Н – напор воды, м;

Р - мощность турбины, МВт.

Так как напоры и расходы воды на различных гидроэлектростанциях отличаются большим разнообразием, частота вращения гидрогенераторов лежит в широком диапазоне, от 60 до 750 об/мин. Из выражения (5.11) видно, что частота вращения тем меньше, чем ниже напор воды и выше мощность гидроагрегата. Гидроагрегаты поэтому являются тихоходными машинами, имеют большие размеры и массу, а также большое число пар полюсов p.

Гидрогенераторы выполняют с явнополюсными роторами. Полюсы ротора с обмоткой возбуждения крепятся на ободе ротора. Диаметры роторов мощных гидрогенераторов достигают 14-16 м при длине до 5 м. Кроме обмотки возбуждения они имеют, как правило, демпферную обмотку, которая образуется из медных стержней, закладываемых в пазы на полюсных наконечниках ротора и замыкаемых с торцов ротора кольцами.

Диаметры статоров мощных гидрогенераторов достигают 20-22 м. Статор гидрогенераторов также выполняется из листов электротехнической стли, но в отличие от турбогенераторов выполняется разъёмным из-за своих больших размеров. Он делится по окружности на несколько (от двух до шести) равных частей. Это значительно облегчает его транспортировку и монтаж.

Гидроагрегаты большой и средней мощности выполняются с вертикальным валом, в верхней части которого располагается генератор, а в нижней — гидротурбина. Различают генераторы подвесного и зонтичного типа.

Гидрогенераторы подвесного типа имеют один подпятник, расположенный в верхней крестовине, к которой «подвешен» ротор генератора и колесо турбины. Нижний и верхний направляющие подшипники обеспечивают вертикальное положение вала.

В гидрогенераторах зонтичного типа подпятник находится под ротором, в нижней крестовине, что позволяет снизить высоту всего агрегата, а, следовательно, и здания ГЭС. Такое исполнение применяется для мощных агрегатов.