Синхронные генераторы — основное электрооборудование электростанций. Выбранный тип генератора определяет конструкцию всей электростанции и особенности ее эксплуатации. Тип устанавливаемых генераторов зависит главным образом от частоты вращения турбины.
Частота вращения роторов генераторов паротурбинных электростанций (ТЭС, АЭС) при частоте электрического тока 50 Гц принята равной 3 000 мин-'. Сравнительно редко частота вращения принимается равной 1 500 мин Частота вращения гидротурбин обычно находится в пределах от 60 до 500 мин1. Частота вращения ротора генератора п, мин"1, частота переменного тока /, Гц, и число пар полюсов ротора р связаны соотношением
п = т/р.
Следовательно, число пар полюсов ротора генератора паротурбинной электростанции (турбогенератора) при/= 50 Гц и п = = 3000 мин 1 должно быть равно 1. На роторах гидрогенераторов при п равной 60 и 500 мин"1 число пар полюсов р должно быть соответственно равно 50 и 6. Конструкция ротора генератора зависит от числа пар полюсов.
Ротор турбогенератора неявнополюсной конструкции выполняется в виде стального цилиндра с продольными пазами, в которые укладывают обмотку возбуждения из полосовой меди, изолированной миканитом. Обмотку возбуждения закрепляют в пазах клиньями, а вне пазов (на лобовых частях) стальными бандажами или каппами. Из-за воздействия на ротор, вращающийся с большой частотой, центробежных сил ограничены его размеры: диаметр — не более 1250 мм, длина бочки ротора — не свыше 6,5 м.
Ротор гидрогенератора имеет несколько пар выступающих полюсов, т.е. явнополюсную конструкцию. Синхронные двигатели и компенсаторы с частотой вращения ниже 1500 мин ' тоже имеют явнополюсный ротор. Обмотка возбуждения явнополюсных синхронных машин выполняется в виде катушек, располагаемых на каждом полюсе и соединяемых последовательно.
На паротурбинных электростанциях принята конструкция турбоагрегатов с горизонтальным валом, а на гидроэлектростанциях принято вертикальное расположение вала турбины и гидрогенератора, так как при большом диаметре явнополюсного ротора вертикальная конструкция обеспечивает лучшие условия работы подшипников и меньшие размеры машинного здания. На рис. 1 и 2 показаны устройство соответственно турбогенератора и гидрогенератора, а также пути прохождения через них охлаждающего воздуха. Система охлаждения электрических машин необходима для отвода теплоты, возникающей в результате потерь мощности в стали и меди ротора и статора.
Рис. 1. Турбогенератор:
1 — статор; 2 — ротор; 3 — вал; 4 — кожух; 5 — фильтр; 6 — воздухоохладитель; 7 — уплотнения; А — область разрежения в системе вентиляции; Б — область движения; В — камера горячего воздуха; Г — камера холодного воздуха; Д — каналы подвода воздуха к уплотнениям
Рис. 2. Гидрогенератор:
I — статор; 2 — ротор; 3 — подпятник; 4 — спицы ротора; 5 — направляющий подшипник; 6 — нижняя опорная крестовина; D — диаметр ротора генератора
Для генераторов небольшой мощности (до 25 МВт на ТЭС) достаточна воздушная вентиляция (см. рис. 1). Воздух под действием центробежных сил вращающегося ротора проходит через каналы в стали статора и охлаждает обмотки и магнитопроводы ротора и статора. Нагревшийся воздух поступает через окна в корпусе статора в трубчатые воздухоохладители. По трубкам воздухоохладителей протекает холодная вода. Охлажденный воздух снова засасывается ротором. Получается замкнутый цикл.
В турбогенераторах мощностью 25... 100 МВт систему вентиляции вместо воздуха заполняют водородом, имеющим большую теплоемкость. Переход на водородное охлаждение позволяет от того же турбогенератора получать мощность в 1,3 раза большую, чем при воздушном охлаждении (при соответствующем усилении турбины). Для современных сверхмощных генераторов применяют непосредственное охлаждение, при котором обмотки ротора и статора охлаждают маслом или дистиллированной водой. Охлаждающая жидкость поступает в полые стержни, составляющие обмотку, и охлаждает их изнутри.
Благодаря такому интенсивному охлаждению обмоток удается получить генератор заданной мощности при уменьшенных размерах или при тех же размерах в 3 — 4 раза большую номинальную мощность генератора. Системы непосредственного охлаждения при различных комбинациях охлаждающего вещества (водород, масло, вода) и разных конструкциях систем охлаждения стали и меди генератора позволили создать генераторы мощностью 300... 800 МВт при тех ограничениях их размеров, которые обусловлены центробежными силами в роторе.
Системы возбуждения синхронных машин обеспечивают питание обмотки возбуждения постоянным током. Широкое применение нашли системы возбуждения с генераторами постоянного тока (возбудителями) и с преобразователями переменного тока в постоянный (вентильное возбуждение). И та, и другая система имеет несколько видов.
