ГЛАВА ПЯТАЯ
КОНСТРУКЦИИ ГИДРОГЕНЕРАТОРОВ
- 1. ПАРАМЕТРЫ ГИДРОГЕНЕРАТОРОВ
Гидрогенератор является синхронной машиной трехфазного переменного тока и предназначен для преобразования механической энергии соединенной с ним гидротурбины в электрическую энергию. Он может также работать в качестве синхронного компенсатора, вращаясь вхолостую в моторном режиме и потребляя энергию от сети.
По расположению вала гидрогенераторы подразделяются на вертикальные и горизонтальные. Горизонтальные генераторы применяются в компоновке с гидротурбинами небольшой мощности, а в последнее время они стали применяться в капсульных агрегатах с поворотноло— пастными турбинами.
На современных гидроэлектростанциях средней и большой мощности применяются, как правило, вертикальные генераторы, так как при этом упрощается конструкция, повышается надежность и улучшаются условия эксплуатации гидроагрегата, а также уменьшаются размеры машинного здания. Вертикальный генератор является составной частью единого энергетического агрегата гидроэлектростанции. В современных конструкциях гидроагрегатов узлы и детали генераторов и турбин компоновочно, конструктивно и технологически взаимно связаны. Так, в некоторых крупных гидроагрегатах генератор не имеет собственного вала и ротор его закрепляется на валу турбины. В ряде конструкций агрегатов подпятник генератора опирается на крышку турбины. Маслоприемники рабочего колеса поворотнолопастных турбин устанавливаются на верхней части генератора, а сервомотор рабочего колеса этих турбин иногда размещается во втулке ротора генератора.
Основными параметрами гидрогенератора являются его мощность, номинальное напряжение, коэффициент мощности, скорость вращения, частота тока, коэффициент полезного действия и маховой момент. Мощность и скорость вращения генератора должны соответствовать мощности и скорости вращения турбины, а масса его ротора — иметь такой маховой момент, чтобы в случаях колебаний нагрузки изменение скорости вращения удерживалось в допустимых пределах при заданном времени закрытия направляющего аппарата турбины.
Активная (действительная) мощность генератора выражается в киловаттах и равна
Р = ηN,
где N — мощность турбины, кВт;
η — к. п. д. генератора.
Величина полной (кажущейся) мощности S генератора выражается в киловольт-амперах (ква) и связана с активной мощностью соотношением
P=S cos φ,
где cos φ — коэффициент мощности.
Обычно генераторы рассчитываются и выполняются с номинальным коэффициентом мощности cos φ=0,8, однако допускается изготовление генераторов с коэффициентом мощности более 0,8. Величина его в этом случае определяется условиями работы генератора в энергосистеме.
Для генераторов мощностью до 50 тыс. кВт применяется напряжение до 10,5 кв, а при большей мощности 13,8 и 15,75 кв.
Скорость вращения генератора связана с частотой тока соотношением
где f — частота тока, гц;
р — число пар полюсов генератора.
При стандартной частоте переменного тока в СССР, равной 50 периодам в секунду, синхронная скорость вращения генератора будет зависеть только от числа пар полюсов и составит
Скорости вращения гидрогенераторов обычно находятся в пределах от 50 до 750 об/мин.
Величина коэффициента полезного действия генератора определяется электрическими и механическими потерями, которые слагаются из:
электрических потерь в статоре и роторе генератора;
механических потерь в подшипниках и подпятнике;
вентиляционных потерь;
потерь на возбуждение генератора.
Скорость вращения гидроагрегата поддерживается постоянной в допускаемых пределах главным образом за счет кинетической энергии вращающегося ротора гидрогенератора в связи с тем, что регуляторы турбин не могут обеспечить мгновенные изменения расхода воды через турбину при внезапных изменениях нагрузки на генератор.
Кинетическая энергия ротора генератора при заданной скорости вращения агрегата характеризуется величиной махового момента GD2, где G — вес ротора агрегата, a D — диаметр инерции массы ротора относительно оси вращения. Чем выше маховой момент ротора при той же скорости вращения, тем больше его кинетическая энергия и тем меньше будет изменяться скорость вращения при изменениях нагрузки. Таким образом, наличие больших маховых масс способствует выравниванию качаний скоростей вращения агрегата. Накапливая кинетическую энергию во время ускорения и отдавая ее при замедлении, ротор агрегата является как бы аккумулятором кинетической энергии.
Величина махового момента агрегата, необходимая по условиям регулирования, определяется в основном маховым моментом генератора и зависит от мощности генератора, скорости вращения, времени закрытия направляющего аппарата и повышения действующего напора. Значение махового момента генератора и время закрытия направляющего аппарата устанавливаются совместно заводами — изготовителями турбины и генератора и организацией, проектирующей станцию.
