Турбогенератор ТВВ -1000 и его системы
Цели обучения
По окончании занятия обучаемые смогут:
Описать принцип обратимости электрических машин;
Описать принцип действия синхронного генератора;
Описать устройство и работу генератора;
Описать систему водородного охлаждения генератора;
Описать систему газоохлаждения генератора;
Описать систему теплоконтроля генератора;
Описать технологические защиты генератора;
Описать действия оперативного персонала при отклонениях от нормального режима работы генератора.
Описать принцип действия, устройство, работу генератора ТВВ-1000 и его систем
5.1.01. Проводник в магнитном поле
5.1.03. Правило “левой руки"
5.1.04. Элементарный двигатель
Принцип обратимости электрических машин
Электрическим машинам различного принципа действия свойственна единая природа электромагнитных и энергетических процессов, возникающих при взаимодействии проводника и магнитного поля. Поэтому, прежде чем приступить к изучению принципа работы и свойств электрических машин, будет полезным остановиться на законах и явлениях, общих для всех электрических машин. При этом воспользуемся простейшей моделью, состоящей из магнита, в магнитное поле которого помещен проводник.
В процессе работы электрической машины в режиме генератора происходит преобразование механической энергии в электрическую. Природа этого процесса объясняется законом электромагнитной индукции: если внешней силой F воздействовать на помещенный в магнитное поле проводник и перемещать его, например, слева направо перпендикулярно вектору магнитной индукции В магнитного поля, то в проводнике будет наводится электродвижущая сила (ЭДС) (рис. 5.1.01.).
Для определения направления ЭДС следует воспользоваться правилом "правой" руки (рис. 5.1.02.).
Применив это правило, определим направление ЭДС в проводнике (от нас). Если концы проводника замкнуты на внешнее сопротивление R (потребитель),то под действием ЭДС в проводнике возникнет ток такого же направления. Таким образом, проводник в магнитном поле можно рассматривать в этом случае как элементарный генератор.
В результате взаимодействия тока I с магнитным полем возникает действующая на проводник электромагнитная сила Ампера.
Направление силы F3M можно определить по правилу "левой руки" (рис. 5.1.03.). В рассматриваемом случае эта сила направлена справа налево, т.е. противоположно движению проводника. Таким образом, в рассматриваемом элементарном генераторе сила Ампера F3M является тормозящей по отношению к движущей силе F.
При равномерном движении проводника F=Fэm. Умножив обе части равенства на скорость движения проводника, получим:
FV =FэмV
Подставим в это выражение значение F3M из (1.2), и , учитывая (1.1)
Левая часть равенства определяет значение механической мощности, затрачиваемой на перемещение проводника в магнитном поле; правая часть значение электрической мощности, развиваемой в замкнутом контуре электрическим током I. Знак равенства между этими частями показывает, что в генераторе механическая мощность, затрачиваемая внешней силой, преобразуется в электрическую.
Если внешнюю силу F к проводнику не прикладывать, а от источника электроэнергии подвести к нему напряжение U так, чтобы ток I в проводнике имел направление, указанное на рис. 5.1.04, то на проводник будет действовать только электромагнитная сила Fэм. Под действием этой силы проводник начнет двигаться в магнитном поле. При этом в проводнике индуцируется ЭДС с направлением, противоположным напряжению U (рис. 5.1.04.). Таким образом, часть напряжения U, приложенного к проводнику,уравновешивается ЭДС Е, наведенной в этом проводнике, а другая часть составляет падение напряжения в проводнике: 
Умножив обе части равенства на ток I:
Подставляя вместо Е значение ЭДС из (1.1), получим
или согласно (1.2)
Из этого равенства следует, что электрическая мощность (UI), поступающая в проводник, частично преобразуется в механическую (Fэm V), а частично расходуется на покрытие электрических потерь в проводнике (I2г). Следовательно, проводник с током, помещенный в магнитное поле, можно рассматривать как элементарный двигатель.
Рассмотренные явления позволяют сделать вывод:
для любой электрической машины обязательно наличие электропроводящей среды (проводников) и магнитного поля, имеющих возможность взаимного перемещения;
при работе электрической машины как в режиме генератора, так и в режиме двигателя одновременно наблюдается индуцирование ЭДС в проводнике, пересекающем магнитное поле и возникновение силы, действующей на проводник, находящийся в магнитном поле, при протекании по нему электрического тока;
взаимное преобразование механической и электрической энергий в электрической машине может происходить в любом направлении, т.е. одна и та же электрическая машина может работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора; это свойство электрических машин называют обратимостью.
Принцип обратимости электрических машин был впервые установлен русским ученым Э.Х.Ленцем.
Принцип действия синхронного генератора
Для изучения принципа действия синхронного генератора воспользуемся упрощенной моделью синхронной машины (рис. 5.1.05.). Неподвижная часть машины, называемая статором, представляет собой полый шихтованный цилиндр 1 (сердечник статора) с двумя продольными пазами на внутренней поверхности. В пазах расположены стороны витка 2, являющегося обмоткой статора. Во внутренней полости сердечника статора расположена вращающаяся часть машины ротор, представляющий собой постоянный магнит 4 с полюсами N и S, закрепленный на валу 3. Вал ротора посредством ременной передачи механически связан с приводным двигателем.
В реальном синхронном генераторе в качестве приводного двигателя может быть использован двигатель внутреннего сгорания либо турбина. Под действием вращающего момента приводного двигателя ротор генератора вращается с частотой n1 против часовой стрелки. При этом в обмотке статора, в соответствии с явлением электромагнитной индукции, наводится ЭДС, направление которой показано на рисунке стрелками.
Так как обмотка статора замкнута на нагрузку Ζ, то в цепи этой обмотки появится ток i.
В процессе вращения ротора магнитное поле постоянного магнита тоже вращается с частотой п1, а поэтому каждый из проводников обмотки статора попеременно оказывается то в зоне северного (N) магнитного полюса, то в зоне южного (S) магнитного полюса. При этом каждая смена полюсов сопровождается изменением направления ЭДС в обмотке статора. Таким образом, в обмотке статора синхронного генератора наводятся переменная ЭДС, а поэтому ток i в этой обмотке и в нагрузке Z также переменный.
Мгновенное значение ЭДС обмотки статора в рассматриваемом синхронном генераторе:
5.1.05. Упрощенная модель синхронного генератора
5.1.06. Графики распределения магнитной индукции в воздушном зазоре синхронного генератора
5.1.07. Электромагнитная схема синхронного генератора
где:
Βδ- магнитная индукция в воздушном зазоре между сердечником статора и полюсами ротора, Тл
L - активная длина одной пазовой стороны обмотки статора, м V - линейная скорость движения полюсов ротора относительно статора, м.
Если ротор в единицу времени совершает п1 полных оборотов и при каждом обороте угол поворота изменяется на 2π, следовательно: изменение угла поворота за единицу времени или угловая скорость полюсов равна:
Линейная и угловая скорости связаны выражением:
где:
r - радиус расточки статора, м.
Отсюда:
где:
D1 - диаметр расточки статора, м.
Тогда мгновенное значение ЭДС обмотки статора (В) можно выразить следующей формулой:
Эта формула показывает, что при неизменной частоте вращения ротора форма кривой переменной ЭДС обмотки статора определяется исключительно законом распределения магнитной индукции Βδ в зазоре. Если бы график магнитной индукции Βδ в зазоре представлял собой синусоиду (Bδ=Bmax Sinα), то ЭДС генератора была бы синусоидальной. Однако получить синусоидальное распределение индукции в зазоре практически невозможно. Так, если воздушный зазор δ постоянен, то магнитная индукция Βδ в воздушном зазоре распределяется по трапецеидальному закону (рис. 5.1.06. кривая 1), а следовательно, и график ЭДС генератора представляет собой трапецеидальную кривую. Если края полюсов скосить так, чтобы зазор на краях полюсных наконечников был равен биах,то график распределения магнитной индукции в зазоре приблизится к синусоиде (рис. 5.1.06 кривая 2), а следовательно, и график ЭДС генератора приблизится к синусоиде.
Частота ЭДС синхронного генератора ft (Гц) прямо пропорциональна частоте вращения ротора п1 (об/мин), которую принято называть синхронной частотой вращения:
Здесь р число пар полюсов; в рассматриваемом генераторе два полюса, т. е. р=1.
Для получения промышленной частоты ЭДС (50 Гц) ротор такого генератора необходимо вращать с частотой
ri! =3000 об/мин,
тогда :
f=1x3000/60=50 Гц.
Постоянные магниты на роторе применяются лишь в синхронных генераторах весьма малой мощности, в большинстве же синхронных генераторов для получения возбуждающего магнитного поля применяют обмотку возбуждения, располагаемую на роторе.
На рисунке 5.1.07. показана простейшая обмотка возбуждения, которая подключена к источнику постоянного тока через скользящие контакты, осуществляемые посредством двух контактных колец, располагаемых на валу, изолированных от вала и друг от друга, и двух щеток.
Как уже отмечалось, приводной двигатель (ПД) приводит во вращение ротор синхронного генератора с синхронной частотой n1 и индуцирует в трехфазной обмотке статора переменные ЭДС ЕАЕвЕс которые, будучи одинаковыми по значению и сдвинутыми по фазе относительно друг друга на 1/3 периода (120 эл. град), образуют трехфазную симметричную систему ЭДС.
С подключением нагрузки в фазах обмотки статора появляются токи IAIвIс. При этом трехфазная обмотка статора создает вращающее магнитное поле. Частота вращения этого поля равна частоте вращения ротора генератора (об/мин):
n1=f160/р
Таким образом, в синхронном генераторе поле статора и ротор вращаются синхронно, отсюда и название - синхронные машины.
