Pagrindiniai generatoriaus komponentai ir kaip jis veikia hidroelektrinėje
Hidroelektrinė (HJJ) naudoja vandens potencialinę ir kinetinę energiją elektros energijai gaminti. Vienas iš svarbiausių šios sistemos komponentų yra generatorius – mašina, kuri elektromagnetinės indukcijos principu paverčia mechaninę turbinos sukimosi energiją elektros energija. Siekiant užtikrinti efektyvų energijos konvertavimą, hidroelektrinį generatorių sudaro keli pagrindiniai komponentai, kurie veikia integruotai. Šiame straipsnyje aptariami šie komponentai ir paaiškinama, kaip generatorius veikia hidroelektrinės kontekste.
Trumpa hidroelektrinės sistemos apžvalga
Prieš pradedant gilintis į generatoriaus dalį, svarbu suprasti energijos srautą hidroelektrinėje. Vanduo iš rezervuaro ar užtvankos teka per slėginį vamzdį į turbiną. Vandens slėgis ir srauto greitis priverčia turbiną suktis. Turbinos sukimasis perduodamas į veleną, tiesiogiai prijungtą prie generatoriaus. Tada generatorius gamina elektros energiją, kurios įtampa transformatoriumi padidinama ir paskirstoma į perdavimo tinklą.
Pagrindinis šio straipsnio dėmesys skiriamas energijos virsmo iš mechaninės į elektrinę stadijai, būtent generatoriuje.
Pagrindiniai generatorių principai: elektromagnetinė indukcija
Generatoriai veikia pagal Faradėjaus dėsnį, kuris teigia, kad magnetinio srauto pokytis laidininke sukuria elektrovaros jėgą (EMJ). Generatoriuje šis magnetinio srauto pokytis atsiranda dėl santykinio judėjimo tarp magnetinio lauko ir laidininko ričių. Rotoriui sukant, magnetinis laukas sukasi statoriaus ričių atžvilgiu, sukurdamas įtampą tarp ričių. Ši įtampa tada, prijungus prie apkrovos arba tinklo sistemos, sukuria elektros srovę.
Hidroelektrinėse dažniausiai naudojamas trifazis sinchroninis generatorius, nes jis tinka didelei, stabiliai galiai ir dideliam efektyvumui.
Pagrindiniai generatorių komponentai hidroelektrinėse
1. Statorius (stacionari dalis)
Statorius yra nesisukanti generatoriaus dalis. Čia generuojama pagrindinė indukuota įtampa. Statorių sudaro:
– Statoriaus rėmas: mechaninė konstrukcija, laikanti vidinius komponentus.
– Statoriaus šerdis: sudaryta iš silicio plieno laminatų, skirtų sūkurinių srovių nuostoliams sumažinti. Laminatai yra ploni lakštai, sukrauti taip, kad nutrauktų sūkurinių srovių kelią.
– Statoriaus apvija: laidininko vielos (dažniausiai vario) ritė, įdėta į statoriaus šerdies plyšius. Ši ritė paprastai skirta trifazei išvesti.
Statorius veikia kaip „vieta“ elektros energijai išeiti, nes indukuota įtampa atsiranda jo ritėje.
2. Rotorius (besisukanti dalis)
Rotorius yra generatoriaus dalis, kuri sukasi kartu su turbinos velenu. Sinchroniniame hidroelektriniame generatoriuje rotorius sukuria pagrindinį magnetinį lauką. Yra du įprasti rotorių tipai:
– Išsikišusio poliaus rotorius: įprastas hidroelektrinėse, nes hidroturbinos paprastai sukasi santykinai mažu greičiu. Šio tipo rotorius turi išsikišusius magnetinius polius, tinkamus keliems poliams, leidžiančius pasiekti norimą dažnį esant mažam greičiui.
– Cilindrinis rotorius (neišsikišęs): dažniau naudojamas greitaeigiuose šiluminiuose generatoriuose, tačiau tam tikromis sąlygomis gali būti naudojamas ir jis.
Rotorius taip pat turi lauko apviją, kuriai tiekiama nuolatinė srovė magnetiniam laukui generuoti.
3. Sužadinimo sistema
Kad rotorius sukurtų magnetinį lauką, generatoriui reikalinga sužadinimo sistema, kuri tiekia nuolatinę srovę rotoriaus rites. Sužadinimo sistema yra labai svarbi, nes ji lemia:
– generatoriaus išėjimo įtampos dydis,
– generatoriaus gebėjimas tiekti arba absorbuoti reaktyviąją galią (VAR),
– veikimo stabilumas keičiantis apkrovai.
Dažniausi sužadinimo tipai:
– Bešepetis sužadintuvas: patikimesnis, nereikalaujantis daug priežiūros, plačiai naudojamas šiuolaikinėse hidroelektrinėse.
– Žadintuvas su šepetėliu (šepetėlis/slydimo žiedas): paprastesnis, bet reikalauja priežiūros, nes kontaktiniai komponentai trinasi.
Be to, sužadinimą paprastai valdo AVR (automatinis įtampos reguliatorius), kad įtampa būtų stabili.
4. Velenas ir sankaba
Velenas yra mechaninė jungtis tarp turbinos ir generatoriaus rotoriaus. Didelėse hidroelektrinėse velenas turi turėti:
– didelis atsparumas sukimui,
– atsparumas vibracijai,
– geras suvedimo tikslumas, siekiant išvengti per didelio susidėvėjimo.
Jungtis (jei naudojama) padeda sujungti turbiną ir generatorių ir sumažina vibracijų ar nedidelių nesutapimų poveikį.
5. Guoliai
Dėl didelio rotoriaus sukimosi greičio reikalinga guolių sistema, kuri išlaikytų veleno stabilumą ir sumažintų trintį. Yra du pagrindiniai guolių tipai:
– Kreipiamasis guolis: išlaiko veleno padėtį tiesiai ir nepasislenka į šoną.
– Atramos guolis: priešinasi ašinei jėgai (stūmimui), kuri atsiranda dėl vandens jėgos, veikiančios turbiną, ir rotoriaus svorio.
Guolių tepimo (alyvos tepimo) ir aušinimo sistemos paprastai yra integruotos, kad būtų išvengta perkaitimo.
6. Generatoriaus aušinimo sistema
Hidroelektriniai generatoriai veikia didele galia, generuodami šilumą dėl elektros ir mechaninių nuostolių. Norint išlaikyti ritės izoliaciją ir aukštą efektyvumą, reikalingas aušinimas, pavyzdžiui:
– oro aušinimas vidiniu ventiliatoriumi,
– vandens aušinimas šilumokaityje,
– tam tikruose įrenginiuose, atsižvelgiant į galią, galima naudoti sudėtingesnę aušinimo sistemą.
Geras aušinimas prailgina statoriaus ir rotoriaus izoliacijos tarnavimo laiką.
7. Izoliacijos ir apsaugos sistema
Statoriaus ir rotoriaus ritės turi turėti tvirtą izoliacijos sistemą, kuri atlaikytų aukštą įtampą, temperatūrą ir drėgmę. Be to, generatorius turi apsaugos priemones, skirtas apsaugoti nuo pažeidimų, tokias kaip:
– apsauga nuo trumpojo jungimo ir viršsrovės,
– apvijų apsauga nuo perkaitimo,
– apsauga nuo vibracijos,
– apsauga nuo įžeminimo gedimų,
– sužadinimo apsaugos praradimas.
Šios sistemos paprastai prijungiamos prie valdymo skydų ir SCADA sistemų.
8. Išėjimo gnybtai ir įtampos kėlimo transformatorius (susijęs skyrius)
Generatoriaus išėjimo įtampa paprastai yra vidutinė (pvz., 6–20 kV, priklausomai nuo konstrukcijos). Tada elektra tiekiama į aukštesnį transformatorių, kad padidintų ją iki perdavimo įtampos (pvz., 70 kV, 150 kV, 275 kV ar aukštesnės), taip sumažinant perdavimo nuostolius.
Nors transformatorius nėra generatoriaus vidinė dalis, jis yra svarbi hidroenergijos paskirstymo grandinės dalis.
Kaip generatoriai veikia hidroelektrinėse: procesų seka
1. Slėginis vanduo suka turbiną
Vandens energija paverčiama mechanine energija turbinos veleno sukimosi pavidalu.
2. Turbinos velenas suka generatoriaus rotorių.
Rotorius, turintis magnetinį lauką, sukasi tam tikru greičiu. Šis greitis reguliuojamas taip, kad atitiktų sistemos dažnį (50 Hz Indonezijoje).
3. Rotoriaus magnetinis laukas „nukerpa“ statoriaus rites
Rotoriui sukant, magnetinis srautas kinta atsižvelgiant į statoriaus ričių padėtį. Būtent čia statoriaus apvijose atsiranda indukuota įtampa.
4. Statoriaus gnybtuose atsiranda trifazė įtampa.
Kadangi statoriaus ritė yra trifazė su 120 laipsnių elektriniu poslinkiu, generatoriaus išvestis yra stabili trifazė kintamosios srovės sistema didelėms apkrovoms.
5. AVR reguliuoja sužadinimą, kad palaikytų įtampą
Apkrovai svyruojant, AVR keičia rotoriaus sužadinimo srovę, kad išėjimo įtampa neviršytų sistemos standarto.
6. Elektros energija paskirstoma transformatoriui ir tinklui
Generatoriaus išvestis patenka į aukštesnįjį transformatorių, o tada per perdavimo ir paskirstymo tinklą siunčiama vartotojams.
Uždarymas
Hidroelektrinis generatorius yra pagrindinis įrenginys, kuris elektromagnetinės indukcijos būdu paverčia mechaninę turbinos energiją elektros energija. Jo pagrindiniai komponentai yra statorius, rotorius, žadinimo sistema, velenas, guoliai, aušinimo, izoliacijos ir apsaugos įtaisai. Visi šie komponentai veikia kartu, kad gamintų stabilią, efektyvią ir saugią trifazę elektros energiją, kuri perduodama į tinklą. Suprasdami hidroelektrinio generatoriaus komponentus ir veikimo principą, galime matyti, kad sėkmingas hidroelektrinės veikimas priklauso ne tik nuo vandens prieinamumo, bet ir nuo sudėtingos elektromechaninės sistemos, esančios generatoriuje, patikimumo.
