¿Cómo se organizan los turbogeneradores e hidrogeneradores síncronos?

En las centrales hidroeléctricas, los generadores son impulsados ​​por turbinas de agua que giran a velocidades de 68 a 250 rpm En las centrales térmicas, la energía eléctrica se genera mediante unidades de turbina que consisten en una turbina de vapor y un generador de turbina. Para un mejor uso de la energía del vapor, las turbinas se construyen como turbinas de alta velocidad con una velocidad de rotación de rpm 3000. Las plantas térmicas también están disponibles en grandes empresas industriales.

Los alternadores tienen un diseño más simple y se pueden construir con una potencia significativamente mayor que los generadores de CC.

La mayoría de las máquinas síncronas utilizan un diseño invertido en comparación con máquinas de corriente continua, es decir. el sistema de excitación se encuentra en el rotor y el devanado del inducido en el estator. Esto se debe al hecho de que es más fácil suministrar una corriente relativamente baja a la bobina de excitación a través de contactos deslizantes que suministrar corriente a la bobina de operación. El sistema magnético de una máquina síncrona se muestra en la Fig. 1.

Los polos de excitación de la máquina síncrona se encuentran en el rotor.Los núcleos polares de los electroimanes se fabrican de la misma forma que en las máquinas de corriente continua. En la parte estacionaria, el estator, hay un núcleo 2, hecho de láminas aisladas de acero eléctrico, en cuyos canales hay una bobina de trabajo para corriente alterna, generalmente trifásica.

Arroz. 1. Sistema magnético de una máquina síncrona

Cuando el rotor gira, se induce una fem alterna en el devanado del inducido, cuya frecuencia es directamente proporcional a la velocidad del rotor. La corriente alterna que fluye a través de la bobina de trabajo crea su propio campo magnético. El rotor y el campo de la bobina de trabajo giran a la misma frecuencia: sincrónicamente… En el modo motor, el campo de trabajo giratorio lleva consigo los imanes del sistema de excitación, y en el modo generador, viceversa.

Ver aquí para más detalles: Propósito y disposición de las máquinas síncronas.

Considere diseñar las máquinas más potentes: turbogeneradores e hidrogeneradores... Los generadores de turbina son impulsados ​​por turbinas de vapor, que son más económicas a altas velocidades. Por lo tanto, los generadores de turbina se fabrican con un número mínimo de polos del sistema de excitación: dos, lo que corresponde a una velocidad de rotación máxima de 3000 rpm a una frecuencia industrial de 50 Hz.

El principal problema de la ingeniería de turbogeneradores es la creación de una máquina confiable con los valores límite de cargas eléctricas, magnéticas, mecánicas y térmicas. Estos requisitos dejan una huella en todo el diseño de la máquina (Fig. 2).

Arroz. 2. Vista general del generador de turbina: 1 — anillos colectores y aparato de escobillas, 2 — cojinete, 3 — rotor, 4 — tira del rotor, 5 — devanado del estator, 6 — estator, 7 — devanados del estator, 8 — ventilador.

El rotor de un generador de turbina está hecho en forma de forja sólida con un diámetro de hasta 1,25 m, una longitud de hasta 7 m (parte de trabajo). La longitud total de la pieza forjada, teniendo en cuenta el eje, es de 12 a 15 m Los canales se fresan en la parte de trabajo, en la que se coloca la bobina de excitación. Así se obtiene un electroimán bipolar cilíndrico sin polos claramente definidos.

En la producción de generadores de turbina, se utilizan los últimos materiales y soluciones de diseño, en particular, el enfriamiento directo de las partes activas por chorros de un agente refrigerante - hidrógeno o líquido.Para obtener alta potencia, es necesario aumentar la longitud de la máquina, lo que le da un aspecto muy especial.

Los hidrogeneradores (Fig. 3) difieren significativamente en la construcción de los generadores de turbina. La eficiencia de la operación de la turbina hidráulica depende de la velocidad del flujo de agua, es decir esfuerzo. Es imposible crear alta presión en ríos planos, por lo tanto, las velocidades de rotación de la turbina son muy bajas, de decenas a cientos de revoluciones por minuto.

Para obtener una frecuencia industrial de 50 Hz, tales máquinas de baja velocidad deben fabricarse con una gran cantidad de polos. Para acomodar un gran número de polos, es necesario aumentar el diámetro del rotor del hidrogenerador, a veces hasta 10-11 m.

Arroz. 3. Sección longitudinal de un generador de hidrógeno paraguas: 1 — cubo del rotor, 2 — borde del rotor, 3 — polo del rotor, 4 — núcleo del estator, 5 — devanado del estator, 6 — viga transversal, 7 — freno, 8 — cojinete de empuje, 9 — manguito del rotor.

La construcción de potentes turbogeneradores e hidrogeneradores es un desafío de ingeniería.Es necesario resolver una serie de problemas de cálculos mecánicos, electromagnéticos, térmicos y de ventilación y garantizar la capacidad de fabricación de la estructura en producción. Solo los poderosos equipos y empresas de diseño y producción pueden manejar estas tareas.

Las estructuras de diferentes tipos son muy interesantes. micromáquinas síncronas, en el que se utilizan ampliamente los sistemas de imanes permanentes y reactivos, es decir, sistemas en los que el campo magnético de trabajo interactúa no con el campo magnético de excitación, sino con los polos salientes ferromagnéticos del rotor, que no tienen devanado.

Sin embargo, la principal área tecnológica en la que las máquinas síncronas no tienen competidores hoy en día es la energía. Todos los generadores de las centrales eléctricas, desde los más potentes hasta los móviles, se basan en máquinas síncronas.

Como para motores síncronos, entonces su punto débil es el problema de inicio. Por sí solo, un motor síncrono normalmente no puede acelerar. Para hacer esto, está equipado con una bobina de arranque especial que funciona según el principio de una máquina asíncrona, lo que complica el diseño y el proceso de arranque en sí. Por lo tanto, los motores síncronos generalmente están disponibles en clasificaciones de potencia media a alta.

La siguiente figura muestra la construcción de un generador de turbina.

El rotor 1 del generador está hecho de acero forjado, en el que se fresan ranuras para la bobina de excitación, impulsada por una máquina especial de CC 10, llamada excitador. La corriente al devanado del rotor se suministra a través de anillos deslizantes cerrados por la carcasa 9, los cables del devanado del rotor están conectados a ellos.

Al girar, el rotor produce una gran fuerza centrífuga.En las ranuras del rotor, el devanado se sujeta con cuñas de metal y los anillos de retención de acero 7 se presionan contra las partes delanteras.

El estator se ensambla a partir de láminas estampadas 2 de acero eléctrico especial, que se refuerzan en un marco 3 soldado de lámina de acero. Cada hoja del estator consta de varias partes, llamadas segmentos, que se fijan con 4 pernos.

En los canales del estator, se coloca una bobina 6, en cuyos cables se inducen fuerzas electromotrices cuando gira el rotor. Las fuerzas electromotrices de los cables del devanado conectados en serie aumentan y se genera un voltaje de varios miles de voltios en los terminales 12. Cuando las corrientes fluyen entre los alambres del devanado, se crean grandes fuerzas. Por lo tanto, las partes delanteras del devanado del estator están conectadas por los anillos 5.

El rotor gira en los cojinetes 8. Entre el cojinete y la placa base se coloca un aislamiento de corte, a través del cual se pueden cerrar las corrientes de los cojinetes. El segundo cojinete se fabrica junto con una turbina de vapor.

Para enfriar el generador, el estator se divide en paquetes separados, entre los cuales se ubican los conductos de ventilación. El aire es impulsado por ventiladores 11 montados en el rotor.

Para enfriar generadores potentes, es necesario empujar una gran cantidad de aire a través de ellos, alcanzando decenas de metros cúbicos por segundo.

Si el aire de enfriamiento se toma de las instalaciones de la estación, entonces, con la presencia de las cantidades más insignificantes de polvo (unos pocos miligramos por metro cúbico), el generador se contaminará con polvo en poco tiempo. Por lo tanto, los generadores de turbina se construyen con un sistema de ventilación cerrado.

El aire, que se calienta al pasar por los canales de ventilación del generador, ingresa a enfriadores de aire especiales ubicados debajo de la carcasa del generador de turbina.

Allí, el aire calentado pasa entre los tubos con aletas del enfriador de aire, a través de los cuales fluye el agua y se enfría. Luego, el aire se devuelve a los ventiladores, que lo impulsan a través de los conductos de ventilación. De esta manera, el generador se enfría continuamente con el mismo aire y el polvo no puede entrar al generador.

La velocidad a lo largo de la circunferencia del rotor de un generador de turbina supera los 150 m/s. A esta velocidad, se gasta una gran cantidad de energía en la fricción del rotor en el aire. Por ejemplo, en un generador de turbina con una potencia de 50.000 kWVt, las pérdidas de energía por fricción con el aire son el 53% de la suma de todas las pérdidas.

Para reducir estas pérdidas, el espacio interno de los potentes generadores de turbina no se llena con aire, sino con hidrógeno. El hidrógeno es 14 veces más liviano que el aire, es decir, tiene una densidad más baja similar, por lo que las pérdidas por fricción del rotor se reducen significativamente.

Para evitar una explosión de oxihidrógeno, formado a partir de una mezcla de hidrógeno y oxígeno en el aire, se establece una presión superior a la atmosférica dentro del generador. Por lo tanto, el oxígeno atmosférico no puede penetrar en el generador.

Modelo 3D de un generador de turbina de vapor:

Una cinta educativa creada por la fábrica de útiles escolares en 1965:
Generadores síncronos