Генератордың негізгі компоненттері және оның су электр станциясында қалай жұмыс істейтіні
Су электр станциясы (СЭС) электр энергиясын өндіру үшін судың потенциалдық және кинетикалық энергиясын пайдаланады. Бұл жүйенің ең маңызды компоненттерінің бірі - генератор, турбинаның айналуынан механикалық энергияны электромагниттік индукция принципі арқылы электр энергиясына түрлендіретін машина. Энергияны тиімді түрлендіруді қамтамасыз ету үшін гидрогенератор интеграцияланған түрде жұмыс істейтін бірнеше негізгі компоненттерден тұрады. Бұл мақалада осы компоненттер талқыланады және генератордың су электр станциясы контексінде қалай жұмыс істейтіні түсіндіріледі.
Гидроэлектрлік жүйеге қысқаша шолу
Генератор бөлігіне тереңірек үңілмес бұрын, су электр станциясындағы энергия ағынын түсіну маңызды. Су қоймасынан немесе бөгеттен су мұнара арқылы турбинаға ағады. Судың қысымы мен ағын жылдамдығы турбинаның айналуына себеп болады. Турбинаның айналуы генераторға тікелей қосылған білікке беріледі. Содан кейін генератор электр энергиясын өндіреді, ол трансформатор арқылы кернеуді арттырып, тарату желісіне таратылады.
Бұл мақаланың негізгі тақырыбы - генераторда энергияны механикалықтан электрлікке түрлендіру кезеңі.
Генераторлардың негізгі принциптері: Электромагниттік индукция
Генераторлар Фарадей заңына негізделіп жұмыс істейді, ол өткізгіштегі магнит ағынының өзгеруі электр қозғаушы күшін (ЭҚК) тудырады деп көрсетеді. Генераторда магнит ағынының бұл өзгерісі магнит өрісі мен өткізгіш катушкалары арасындағы салыстырмалы қозғалыс арқылы жасалады. Ротор айналған кезде магнит өрісі статор катушкаларына қатысты айналады, бұл катушкалар бойымен кернеу тудырады. Содан кейін бұл кернеу жүктемеге немесе желілік жүйеге қосылған кезде электр тогын тудырады.
Гидроэлектр станцияларында генератор үш фазалы синхронды генератор болып табылады, себебі ол үлкен, тұрақты қуат пен жоғары тиімділікке жарамды.
Гидроэлектр станцияларындағы генераторлардың негізгі компоненттері
1. Статор (стационарлық бөлік)
Статор - генератордың айналмайтын бөлігі. Негізгі индукциялық кернеу осы жерде пайда болады. Статор мыналардан тұрады:
– Статор рамасы: ішкі компоненттерді ұстап тұратын механикалық құрылым.
– Статор өзегі: құйынды ток шығындарын азайту үшін кремнийлі болат ламинациясынан жасалған. Ламинациялар құйынды ток жолын бұзу үшін қабаттасқан жұқа парақтар болып табылады.
– Статор орамасы: статор өзегінің ұяларына орналастырылған өткізгіш сымнан (әдетте мыс) жасалған катушка. Бұл катушка әдетте үш фазалы шығыс шығаруға арналған.
Статор электр энергиясының шығу «орны» ретінде қызмет етеді, себебі индукцияланған кернеу оның катушкасында пайда болады.
2. Ротор (айналмалы бөлік)
Ротор - генератордың турбина білігімен бірге айналатын бөлігі. Синхронды гидрогенераторда ротор негізгі магнит өрісін тудырады. Роторлардың екі кең таралған түрі бар:
– Көрнекті полюсті ротор: гидроэлектростанцияларда жиі кездеседі, себебі гидротурбиналар әдетте салыстырмалы түрде төмен жылдамдықпен айналады. Ротордың бұл түрінің магниттік полюстері шығып тұрады, бұл бірнеше полюске сәйкес келеді, бұл төмен жылдамдықта қажетті жиілікті қамтамасыз етеді.
– Цилиндрлік ротор (көрінбейтін): жоғары жылдамдықты жылу генераторларында жиі кездеседі, бірақ белгілі бір жағдайларда да қолданылуы мүмкін.
Ротор сонымен қатар магнит өрісін тудыру үшін тұрақты токпен қамтамасыз етілетін өріс орамасымен жабдықталған.
3. Қоздыру жүйесі
Ротордың магнит өрісін тудыруы үшін генераторға ротор катушкаларына тұрақты ток беретін қоздыру жүйесі қажет. Қоздыру жүйесі өте маңызды, себебі ол мыналарды анықтайды:
– генератордың шығыс кернеуінің өлшемі,
– генератордың реактивті қуатты беру немесе сіңіру қабілеті (VAR),
– жүктеме өзгерген кезде жұмыс тұрақтылығы.
Қоздырудың кең таралған түрлері:
– Щеткасыз қоздырғыш: сенімдірек, техникалық қызмет көрсетуді қажет етпейді, қазіргі заманғы су электр станцияларында кеңінен қолданылады.
– Қылқаламмен қоздырғыш (қылқалам/сырғанайтын сақина): қарапайым, бірақ күтімді қажет етеді, себебі жанасатын компоненттер үйкеледі.
Сонымен қатар, кернеуді тұрақты ұстау үшін қоздыру әдетте AVR (автоматты кернеу реттегіші) арқылы басқарылады.
4. Білік және ілінісу
Білік - турбина мен генератор роторы арасындағы механикалық байланыс. Ірі гидроэлектростанцияларда білікте мыналар болуы керек:
– бұралуға қарсы жоғары беріктік,
– дірілге төзімділік,
– шамадан тыс тозуды болдырмау үшін жақсы туралау дәлдігі.
Муфта (егер қолданылса) турбина мен генераторды қосуға көмектеседі және дірілдің немесе шағын сәйкессіздіктердің әсерін азайтады.
5. Мойынтіректер
Ротордың жоғары айналу жылдамдығы біліктің тұрақтылығын сақтау және үйкелісті азайту үшін мойынтірек жүйесін қажет етеді. Мойынтіректердің екі негізгі түрі бар:
– Бағыттаушы мойынтірек: біліктің қалпын түзу ұстайды және бүйірге қарай ығыспайды.
– Тарту мойынтірегі: судың турбинаға түсетін күші мен ротордың салмағынан туындайтын осьтік күшке (итеруге) төтеп береді.
Мойынтіректерді майлау (майлау) және салқындату жүйелері әдетте қызып кетудің алдын алу үшін біріктірілген.
6. Генераторды салқындату жүйесі
Гидроэлектр генераторлары жоғары қуатпен жұмыс істейді, электрлік және механикалық шығындардан жылу шығарады. Катушка оқшаулауын сақтау және жоғары тиімділікті сақтау үшін салқындату қажет, мысалы:
– ішкі желдеткішпен ауаны салқындату,
– жылу алмастырғыштағы суды салқындату,
– белгілі бір құрылғыларда сыйымдылығына байланысты күрделірек салқындату жүйесін пайдалана алады.
Жақсы салқындату статор мен ротор оқшаулағышының қызмет ету мерзімін ұзартады.
7. Оқшаулау және қорғау жүйесі
Статор мен ротор катушкаларында жоғары кернеуге, температураға және ылғалдылыққа төтеп бере алатын берік оқшаулау жүйесі болуы керек. Сонымен қатар, генератор зақымдануды болдырмау үшін келесідей қорғаныс шараларымен жабдықталған:
- қысқа тұйықталудан және шамадан тыс токтан қорғау,
– ораманың температурадан қорғалуы,
– дірілден қорғау,
– жерге тұйықталудан қорғау,
– қоздырудан қорғаудың жоғалуы.
Бұл жүйелер әдетте басқару панельдеріне және SCADA жүйелеріне қосылған.
8. Шығыс терминалдары және күшейткіш трансформатор (байланысты бөлім)
Генератордың шығысы әдетте орташа кернеуде болады (мысалы, конструкцияға байланысты 6-20 кВ). Содан кейін электр энергиясы беріліс шығындарын азайту үшін оны беріліс кернеуіне (мысалы, 70 кВ, 150 кВ, 275 кВ немесе одан жоғары) дейін арттыру үшін күшейткіш трансформаторға беріледі.
Трансформатор генератордың ішкі құрамдас бөлігі болмаса да, ол гидроэнергетиканы тарату тізбегінің маңызды бөлігі болып табылады.
Гидроэлектр станцияларындағы генераторлар қалай жұмыс істейді: процестердің реттілігі
1. Қысымдағы су турбинаны айналдырады
Су энергиясы турбина білігінің айналуы түрінде механикалық энергияға айналады.
2. Турбина білігі генератор роторын айналдырады.
Магнит өрісі бар ротор белгілі бір жылдамдықпен айналады. Бұл жылдамдық жүйе жиілігіне сәйкес реттеледі (Индонезияда 50 Гц).
3. Ротордың магнит өрісі статор катушкаларын «кеседі»
Ротор айналған кезде магнит ағыны статор катушкаларының орнына қатысты өзгереді. Бұл жерде индукциялық кернеу статор орамаларында пайда болады.
4. Статор терминалдарында үш фазалы кернеу пайда болады.
Статор катушкасы 120 градус электрлік ығысуы бар үш фазалы ретінде жасалғандықтан, генератор шығысы үлкен жүктемелер үшін тұрақты үш фазалы айнымалы ток жүйесі болып табылады.
5. AVR кернеуді ұстап тұру үшін қозуды реттейді
Жүктеме өзгерген кезде, AVR шығыс кернеуін жүйе стандартында ұстап тұру үшін ротордың қоздыру тогын өзгертеді.
6. Электр қуаты трансформатор мен желіге таратылады
Генератор шығысы күшейткіш трансформаторға түседі, содан кейін тарату және тарату желісі арқылы тұтынушыларға жіберіледі.
Жабу
Гидроэлектр генераторы - турбинадан механикалық энергияны электромагниттік индукция арқылы электр энергиясына айналдыратын негізгі құрылғы. Оның негізгі компоненттеріне статор, ротор, қоздыру жүйесі, білік, мойынтіректер, салқындату, оқшаулау және қорғаныс құрылғылары кіреді. Осы компоненттердің барлығы электр желісіне беру үшін тұрақты, тиімді және қауіпсіз үш фазалы электр энергиясын өндіру үшін бірге жұмыс істейді. Гидроэлектр генераторының компоненттері мен жұмысын түсіну арқылы гидроэлектростанцияның сәтті жұмыс істеуі тек судың қолжетімділігіне ғана емес, сонымен қатар генератор ішіндегі күрделі электромеханикалық жүйенің сенімділігіне де байланысты екенін көре аламыз.
