Раздел 4

Лекция 9.

Синхронные генераторы электростанций

Фактически вся промышленная электрическая энергия в стране вырабатывается на тепловых (ТЭС), гидравлических (ГЭС) и атомных (АЭС) электростанциях. В разных странах доля электроэнергии, производимой на различного вида электростанциях, неодинакова. В России в настоящее время тепловые электростанции дают примерно (69—70) %, атомные и гидравлические — по 15 % общего количества электроэнергии. Стоимость единицы вырабатываемой электроэнергии на каждом из этих трех видах станций может резко различаться. Различны капитальные затраты при их сооружении, расходы на эксплуатацию, уровень автоматизации, степень надежности, зависимость от сезона и особенностей их климатического и географического расположения и многих других обстоятельств. Объединяет их только одно. Они обязаны вырабатывать ток стандартной частоты 50 периодов в секунду, или 50 Гц, необходимого уровня напряжения для той сети, к которой присоединяются электрические машины, работающие в режиме генераторов переменного тока, установленных на каждой из станций. Абсолютное равенство частот напряжения сотен одновременно работающих генераторов может быть обеспечено только одним — специальным типом этих электрических машин — синхронными генераторами, т.е. работающими одновременно, в ритме единого времени, со строго определенными частотами вращения своих подвижных частей, называемых роторами.

Синхронные генераторы (СГ), предназначенные для преобразования механической энергии паровой, газовой или гидравлической турбины, вращающей ротор СГ, в электрическую энергию, имеют неподвижную часть, называемую статором.

Поперечное сечение явнополюсной синхронной машины:

1 –статор; 2 –полюсы ротора; 3 –обмотка якоря (статора); 4 –обмотка возбуждения; 5 –контактные кольца

Схематично показано поперечное сечение синхронной явнополюсной машины с четырьмя полюсами на роторе 2 чередующейся полярности N-S-N-S. Сосредоточенная обмотка возбуждения 4, размещенная на роторе, обтекается постоянным током, возбуждающим магнитное поле ротора. Ротор приводится во вращение 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: ниже для гидравлических турбин и выше для остальных видов. Постоянный ток на вращающуюся обмотку возбуждения 4 подается через контактные кольца 5. При вращении ротора магнитное поле обмотки возбуждения перемещается относительно неподвижной обмотки статора 3, размещенной в пазах сердечника статора 1, что вызывает (индуктирует) в обмотке электродвижущую силу (ЭДС). Частота ЭДС f₁ равна произведению частоты вращения ротора n₂ в оборотах в секунду на число пар полюсов ротора р, отсюда

Синхронные генераторы, вращаемые паро- и газо­выми турбинами, назы­ваются турбо­генера­торами, а враща­емые гидрав­лическими тур­бинами — гидро­генера­торами.

Большинство турбогенераторов страны имеют число пар полюсов равное единице, значит для сети 50 Гц n₂ = f₁/р = 50 об/с или n₂ = 60f₁/р = 3000 об/мин. Для стран, где принята частота напряжения 60 Гц (США, Япония и др.), частота вращения ротора составит 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, об/мин:

1500, 1000, 750, 600 и т.д. (для 50 Гц)

или

1800, 1200, 900, 720 и т.д. (для 60 Гц).

Внешний вид явнополюсного ротора (2р = 12) и его поперечный разрез представлены на рис.

Внешний вид явнополюсного ротора

Внешний вид неявнополюсного ротора