¿Qué generadores hay?
Los generadores se dividen en generadores DC y alternadores. Estos últimos se pueden dividir en generadores síncronos y generadores asíncronos. Los generadores síncronos son los más utilizados en las centrales eléctricas modernas. Este tipo de generador se excita con corriente continua y puede proporcionar tanto potencia activa como reactiva para satisfacer las necesidades de diversas cargas. Dado que el generador asíncrono no tiene un devanado de excitación independiente, tiene una estructura simple y es fácil de operar. Sin embargo, no puede proporcionar energía reactiva a la carga y necesita extraer corriente magnetizante retrasada de la red eléctrica conectada. Por tanto, el generador asíncrono debe conectarse en paralelo con otros motores síncronos o con un número considerable de condensadores. Esto limita el ámbito de aplicación de los generadores asíncronos y sólo puede utilizarse en pequeñas centrales hidroeléctricas automatizadas. Antes de la década de 1950, las fuentes de alimentación de CC utilizadas en tranvías urbanos, electrólisis, electroquímica y otras industrias utilizaban principalmente generadores de CC. Sin embargo, los generadores de CC tienen conmutadores, que tienen una estructura compleja, su fabricación requiere mucho tiempo, son costosos, propensos a fallar, difíciles de mantener y no tan eficientes como los alternadores. Por lo tanto, desde la llegada de los rectificadores controlables de alta potencia, ha habido una tendencia a utilizar energía de CA para obtener energía de CC mediante rectificación de semiconductores para reemplazar los generadores de CC.
Según los diferentes motores utilizados, los generadores síncronos se dividen en tres tipos: generadores de turbina, generadores hidráulicos y generadores diésel. Sus similitudes estructurales son que, excepto que los motores pequeños utilizan imanes permanentes para generar campos magnéticos, los campos magnéticos generales se generan mediante bobinas de excitación de corriente continua. Las bobinas de excitación se colocan en el rotor y los devanados del inducido se colocan en el estator. Debido a que el voltaje de la bobina de excitación es bajo y la potencia es pequeña, solo hay dos terminales de salida, que son fáciles de sacar a través de anillos colectores. Sin embargo, el devanado del inducido tiene alto voltaje y alta potencia. Bobinado con tres o cuatro cables, que es fácil de colocar en el estator. El núcleo de la armadura (estator) del generador está hecho de láminas laminadas de acero al silicio para reducir la pérdida de hierro. El núcleo del rotor se puede fabricar a partir de un bloque sólido de acero porque el flujo magnético que pasa es constante. En motores grandes, dado que el rotor está sujeto a una fuerte fuerza centrífuga, el material utilizado para fabricar el rotor debe ser acero de alta calidad.
Generador
[Editar este párrafo] 1. Descripción general
La energía eléctrica es una de las fuentes de energía más importantes de la sociedad moderna. Un generador es un dispositivo mecánico que convierte otras formas de energía en energía eléctrica. Es impulsado por una turbina hidráulica, una turbina de vapor, un motor diésel u otra maquinaria eléctrica, y convierte la energía generada por el flujo de agua, el flujo de aire, la combustión de combustible o la fisión nuclear atómica en energía mecánica y la entrega al generador, que luego la convierte. en energía eléctrica. Los generadores se utilizan ampliamente en la producción industrial y agrícola, la defensa nacional, la ciencia y la tecnología y la vida diaria.
Existen muchas formas de generadores, pero todos sus principios de funcionamiento se basan en la ley de la inducción electromagnética y la ley de la fuerza electromagnética. Por lo tanto, el principio general de su construcción es: utilizar materiales magnéticos y eléctricamente conductores apropiados para formar circuitos magnéticos y circuitos de inducción electromagnética mutua, generando así energía electromagnética y logrando el propósito de conversión de energía.
La clasificación de los generadores se puede resumir de la siguiente manera:
Generador {generador CC, alternador {generador síncrono, generador asíncrono (raramente usado))
Los alternadores pueden También se puede dividir en generadores monofásicos y generadores trifásicos.
[Editar este párrafo] 2. Estructura y principio de funcionamiento
Los generadores suelen consistir en estatores, rotores, tapas de extremo, bases y cojinetes.
El estator consta de un marco, núcleo de estator, devanados y otros componentes estructurales que fijan estos componentes.
El rotor consta de un núcleo de rotor (con bobina de estrangulación magnética y devanado de polo magnético), anillo colector (también conocido como anillo de cobre y anillo colector), ventilador y eje giratorio.
El estator y el rotor del generador están conectados y ensamblados a través de cojinetes y cubiertas de extremo, de modo que el rotor gira en el estator y corta las líneas de fuerza magnéticas para generar potencial eléctrico inducido, que se extrae a través de los terminales y conectados al circuito para generar corriente.
Generadores de turbinas y generadores a juego con turbinas. Para obtener una mayor eficiencia, las turbinas de vapor generalmente se fabrican a alta velocidad, normalmente 3000 rpm (frecuencia 50 Hz) o 3600 rpm (frecuencia 60 Hz). La velocidad de la turbina de vapor en una central nuclear es baja, pero aún supera las 1.500 rpm. Para reducir la tensión mecánica causada por la fuerza centrífuga y la pérdida por fricción del viento, el diámetro del rotor del generador de turbina de alta velocidad es generalmente más pequeño y la longitud es mayor, es decir, se utiliza un rotor delgado. Especialmente para unidades de gran capacidad y alta velocidad por encima de 3000 rpm, el diámetro del rotor está estrictamente limitado por la resistencia del material y generalmente no puede exceder los 1,2 m. La longitud del cuerpo del rotor está limitada por la velocidad crítica. Cuando la longitud del cuerpo alcanza más de 6 veces el diámetro, la segunda velocidad crítica del rotor estará cerca de la velocidad de funcionamiento del motor y pueden producirse grandes vibraciones durante el funcionamiento. Por lo tanto, el tamaño del rotor de los grandes generadores de turbina de alta velocidad está estrictamente limitado. El tamaño del rotor de un motor refrigerado por aire de 65438+100.000 kilovatios ha alcanzado el tamaño límite mencionado anteriormente. Sólo se puede volver a aumentar la capacidad del motor aumentando la carga electromagnética del motor. Por lo tanto, se debe mejorar la refrigeración del motor. Por lo tanto, todos los generadores de turbinas de 50 a 65,438+ millones de kilovatios adoptan tecnología de enfriamiento por hidrógeno o enfriamiento por agua con un mejor efecto de enfriamiento. Desde los años 1970, la capacidad máxima de los generadores de turbina ha alcanzado entre 13.000 y 15.000 kilovatios. Desde 1986, se han logrado importantes avances en la investigación de materiales superconductores de alta temperatura crítica. Se espera que la tecnología superconductora se aplique a los generadores de turbinas, lo que supondrá un nuevo salto en la historia del desarrollo de los generadores de turbinas.
[Editar este párrafo] 3.
Hidrogenerador
Generador impulsado por una turbina hidráulica. Debido a las diferentes condiciones naturales de las centrales hidroeléctricas, la capacidad y velocidad de los grupos electrógenos hidroeléctricos varían ampliamente. Por lo general, los hidrogeneradores pequeños y los hidrogeneradores de alta velocidad impulsados por turbinas de impacto adoptan en su mayoría estructuras horizontales, mientras que los generadores de velocidad grandes y medianos adoptan en su mayoría estructuras verticales (ver figura). Dado que la mayoría de las centrales hidroeléctricas están ubicadas lejos de las ciudades, generalmente se requieren largas líneas de transmisión para suministrar energía a las cargas. Por lo tanto, el sistema eléctrico impone mayores requisitos para la estabilidad operativa del hidrogenerador: los parámetros del motor deben seleccionarse cuidadosamente, existen grandes requisitos para el momento de inercia del rotor. Por tanto, la apariencia de un hidrogenerador se diferencia de la de un generador de turbina de vapor en que su rotor tiene un diámetro grande y una longitud corta. El tiempo de puesta en marcha de la unidad hidrogeneradora es corto y la programación de operación es flexible. Además de la generación de energía general, es especialmente adecuado para unidades de pico y unidades de respaldo de emergencia. La potencia máxima de la unidad hidrogeneradora alcanzó los 700.000 kilovatios.
Generador diésel Generador accionado por un motor de combustión interna. Rápido de iniciar y fácil de operar. El costo de generar electricidad a partir de motores de combustión interna es alto, por lo que los generadores diésel se utilizan principalmente como fuentes de energía de respaldo de emergencia o en centrales eléctricas móviles y áreas donde aún no han llegado las grandes redes eléctricas. La velocidad de los generadores diésel suele ser inferior a 1.000 rpm y la capacidad oscila entre varios kilovatios y varios miles de kilovatios, especialmente unidades de menos de 200 kilovatios. Es relativamente sencillo de hacer. El par de salida del eje del motor diésel fluctúa periódicamente, por lo que el generador funciona en condiciones severas de vibración. Por lo tanto, los componentes estructurales del generador diesel, especialmente el eje giratorio, deben tener suficiente resistencia y rigidez para evitar que estos componentes se rompan debido a la vibración. Además, para evitar que el generador gire a una velocidad angular desigual debido a la pulsación del par, provocando fluctuaciones de voltaje y luces intermitentes, también se requiere que el rotor del generador diesel tenga un gran momento de inercia y la frecuencia de vibración torsional natural. del sistema de eje debe ser consistente con la rotación del motor diesel. La frecuencia de cualquier componente de CA en la pulsación del momento difiere en más del 20% para evitar * * * accidentes por vibración y rotura del eje.
El grupo electrógeno diésel se compone principalmente de motor diésel, generador y sistema de control. Hay dos formas de conectar el motor diésel y el generador. Una es una conexión flexible, es decir, las dos partes están conectadas a través de un acoplamiento, y la otra es una conexión rígida, que utiliza pernos de alta resistencia para conectar el conector rígido del generador al disco del volante del motor diesel. Actualmente existen muchas conexiones rígidas. Una vez conectados el motor diésel y el generador, se instalan en el chasis común y luego se instalan varios sensores, como sensores de temperatura del agua. A través de estos sensores, se muestra al operador el estado de funcionamiento del motor diésel. A través de estos sensores, se puede establecer un límite superior. Cuando se alcanza o excede este límite, el sistema de control emitirá una alarma por adelantado. En este momento, si el operador no toma medidas, el sistema de control detendrá automáticamente la unidad y el grupo electrógeno diésel se protegerá a sí mismo de esta manera. Los sensores desempeñan la función de recibir y transmitir información diversa. Lo que realmente muestra estos datos y realiza funciones de protección es el sistema de control de la propia unidad.
[Editar este párrafo] 4. Principio del aerogenerador
Es una máquina eléctrica que convierte la energía eólica en trabajo mecánico, también llamada molino de viento. En términos generales, es un motor de utilización de energía térmica que utiliza el sol como fuente de calor y la atmósfera como fluido de trabajo. La energía eólica utiliza energía natural. Mucho mejor que la generación de energía diésel. Pero si se utiliza en caso de emergencia, todavía no es tan bueno como un generador diésel. La energía eólica no puede considerarse una fuente de energía de respaldo, pero puede usarse durante mucho tiempo.
El principio de la generación de energía eólica es utilizar la energía eólica para hacer girar las aspas del molino de viento y luego aumentar la velocidad mediante un aumentador de velocidad para impulsar el generador y generar electricidad. Según la tecnología actual de los molinos de viento, la generación de energía puede comenzar a una velocidad de brisa (nivel de brisa) de unos tres metros por segundo.
La energía eólica se está convirtiendo en una moda en el mundo. La energía eólica no tiene problemas de combustible, radiación ni contaminación del aire.
La generación de energía eólica es muy popular en países como Finlandia y Dinamarca; China también la promueve vigorosamente en su región occidental. El pequeño sistema de generación de energía eólica es muy eficiente, pero no se compone sólo de un cabezal generador, sino de un pequeño sistema con cierto contenido tecnológico: aerogenerador + cargador + inversor digital. Una turbina eólica consta de un morro, un rotor, una cola y palas. Cada parte es importante y las funciones de cada parte son las siguientes: las palas se utilizan para recibir energía eólica y convertirla en energía eléctrica a través de la nariz; la cola mantiene las palas orientadas en la dirección del viento para obtener la máxima energía eólica; el rotor permite que la punta gire de manera flexible, para realizar la función de ajustar la dirección de la cola; el rotor de la punta es un imán permanente y el devanado del estator corta las líneas de fuerza magnéticas para generar energía eléctrica.
Debido al volumen de aire inestable, la turbina eólica genera una corriente alterna de 13 ~ 25 V, que debe ser rectificada por el cargador y luego cargada en la batería, para que la energía eléctrica generada por la turbina eólica pueda ser convertida en energía química. Luego se utiliza una fuente de alimentación inversora con un circuito de protección para convertir la energía química de la batería en alimentación de red de 220 V CA para garantizar un uso estable.
Por lo general, la gente piensa que la potencia de la energía eólica está completamente determinada por la potencia de la turbina eólica y siempre quieren comprar turbinas eólicas más grandes. Esto es incorrecto. Actualmente, los aerogeneradores sólo cargan baterías, que almacenan energía eléctrica. La cantidad de electricidad que la gente acaba consumiendo está más estrechamente relacionada con el tamaño de la batería. La potencia está determinada principalmente por el volumen de aire, no sólo por la potencia del olfato. En el continente, las turbinas eólicas pequeñas serán más adecuadas que las grandes. Debido a que es más fácil dejarse llevar por pequeños vientos para generar electricidad, los pequeños vientos sostenidos suministrarán más energía que los fuertes vientos temporales. Cuando no hay viento, la gente todavía puede utilizar la electricidad que trae el viento normalmente. En otras palabras, una turbina eólica de 200W también puede obtener una potencia de 500W o incluso 1000W o más mediante la cooperación de una batería grande y un inversor. .
El uso de turbinas eólicas convierte continuamente la energía eólica en electricidad comercial estándar para usar en nuestros hogares, y el grado de ahorro es obvio. El consumo anual de electricidad de una familia sólo cuesta 20 yuanes por el líquido de la batería. Sin embargo, el rendimiento de las turbinas eólicas actuales ha mejorado mucho en comparación con hace apenas unos años. Anteriormente, sólo se utilizaba en unas pocas zonas remotas. La turbina eólica funciona directamente con una bombilla de 15 W, que parpadea y a menudo daña la bombilla. Hoy en día, debido al avance tecnológico y al uso de cargadores e inversores avanzados, la generación de energía eólica se ha convertido en un pequeño sistema con cierto contenido tecnológico, que puede sustituir a la energía comercial normal bajo ciertas condiciones. Las zonas montañosas pueden utilizar este sistema para alumbrar las calles de forma gratuita durante todo el año; las carreteras pueden utilizarlo como señales de tráfico por la noche; los niños de las zonas montañosas pueden estudiar solos bajo lámparas fluorescentes; también se pueden utilizar turbinas eólicas en los tejados de las casas. Pequeños edificios de gran altura en las ciudades, no sólo económicos, sino también una verdadera fuente de energía verde. Las turbinas eólicas domésticas no sólo pueden evitar cortes de energía, sino también agregar interés a la vida. En las atracciones turísticas, las defensas fronterizas, las escuelas, las unidades militares e incluso en las zonas montañosas atrasadas, las turbinas eólicas se están convirtiendo en un lugar atractivo para la compra de personas. Los entusiastas de la radio pueden usar sus habilidades para servir a las personas en áreas montañosas en términos de generación de energía eólica, de modo que las personas puedan ver televisión y usar electricidad para iluminar simultáneamente con la ciudad, y también pueden enriquecerse a través del trabajo.
[Editar este párrafo] 5. Principio del generador diésel
El motor diésel hace funcionar el generador, convirtiendo la energía del diésel en energía eléctrica.
En el cilindro del motor diésel, el aire limpio filtrado por el filtro de aire se mezcla completamente con el combustible diésel atomizado a alta presión rociado desde la boquilla de combustible. Bajo la extrusión hacia arriba del pistón, el volumen disminuye y la temperatura aumenta rápidamente, alcanzando el punto de ignición del diésel. El diésel se enciende, la mezcla arde violentamente y el volumen se expande rápidamente, empujando el pistón hacia abajo, lo que se denomina "trabajo". Cada cilindro realiza el trabajo en un orden determinado, y el empuje que actúa sobre el pistón se convierte en una fuerza para empujar el cigüeñal a girar a través de la biela, lo que hace que el cigüeñal gire.
Cuando un alternador síncrono sin escobillas se monta coaxialmente con el cigüeñal del motor diésel, el rotor del generador puede ser impulsado por la rotación del motor diésel. El generador utiliza el principio de "inducción electromagnética" para generar fuerza electromotriz inducida y generar corriente a través de un circuito de carga cerrado.
Este es sólo el principio de funcionamiento más básico del grupo electrógeno. Para obtener una potencia de salida utilizable y estable, se requiere una serie de dispositivos y circuitos de control y protección de motores diésel y generadores.
El grupo electrógeno diésel es un tipo de equipo de generación de energía pequeño, se refiere principalmente al grupo electrógeno de menos de 30 KW. Se refiere a la maquinaria eléctrica que utiliza diésel como combustible y motor diésel como motor principal para impulsar el generador. para generar electricidad. La unidad completa generalmente consta de un motor diésel, generador, caja de control, tanque de combustible, batería de arranque y control, dispositivo de protección, gabinete de emergencia y otros componentes. Toda la unidad se puede fijar a la base para su posicionamiento y uso, o se puede instalar en un remolque para uso móvil. Los grupos electrógenos diésel son equipos de generación de energía de funcionamiento intermitente. Si funciona continuamente durante más de 12 horas, su potencia de salida será aproximadamente un 90% menor que la potencia nominal. Aunque los grupos electrógenos diésel tienen baja potencia, debido a su pequeño tamaño, flexibilidad, ligereza, instalaciones completas y fácil operación y mantenimiento, se utilizan ampliamente en minas, ferrocarriles, sitios de campo, mantenimiento del tráfico vial, fábricas, empresas, hospitales y otros. departamentos como fuentes de energía de respaldo o suministro de energía temporal. Al mismo tiempo, este pequeño grupo electrógeno también se puede utilizar como una pequeña central eléctrica móvil y como fuente de energía de respaldo para muchas empresas.
[Editar este párrafo]6. Tipos
Debido a las diferentes formas de energía primaria, se pueden fabricar diferentes generadores.
Utilizando la cooperación de recursos hídricos y turbinas hidráulicas, se pueden fabricar generadores de turbinas hidráulicas; debido a las diferentes capacidades de los depósitos y diferencias en la altura del agua, se pueden fabricar generadores de turbinas hidráulicas con diferentes capacidades y velocidades.
Utilizando carbón, petróleo y otros recursos, junto con calderas y turbinas de vapor, puedes crear turbinas generadoras. La mayoría de estos generadores son motores de alta velocidad (3000 rpm).
Además, existen diversos generadores que utilizan energía eólica, energía atómica, energía geotérmica y energía mareomotriz.
Además, los generadores se dividen en generadores de CC, generadores asíncronos y generadores síncronos debido a diferentes principios de funcionamiento. El gran generador más utilizado en la actualidad es el generador síncrono.
[Editar este párrafo]7. Precauciones para el uso del generador de CC de tambor
1. La compra y el uso del generador deben cumplir con los requisitos técnicos indicados en la placa de identificación, como voltaje, potencia y corriente de salida nominal. Por ejemplo, para el tractor Harvest-27 y el tractor Dongfanghong-40, se usa comúnmente un generador de 150 W, con una corriente de salida nominal de 13 A; el tractor Tieniu-55 usa un generador de 220 W con una corriente de salida nominal de 18 A;
2. Los generadores utilizados en los tractores suelen tener excitación en paralelo, lo que significa que las bobinas de excitación del generador están conectadas en paralelo, por lo que un extremo siempre está conectado a la bobina del inducido a través de la carcasa, por lo que un extremo siempre está conectado a través de la carcasa. La carcasa está conectada a la bobina del inducido. Si la bobina de excitación del generador está conectada a la bobina del inducido a través de la carcasa, se denomina conexión a tierra interna (Figura 5-1) y "generador conectado a tierra internamente" si la bobina de excitación está conectada a tierra fuera del generador a través del regulador; (Figura 5-2), se denomina "generador conectado a tierra externamente". En la actualidad, todos los generadores de CC utilizados en los tractores domésticos están conectados a tierra internamente. Al realizar el cableado, asegúrese de conectar el cable de la bobina de excitación al portaescobillas de carbón conectado a tierra, de modo que no fluya corriente a través de la bobina de excitación y el generador no genere electricidad. Además, algunos tractores importados utilizan generadores externos conectados a tierra.
Si cambia a un generador con conexión a tierra interna, simplemente cambie las conexiones de derivación de la bobina de campo del generador.
3. Los dos terminales de la carcasa del generador generalmente están marcados con las palabras "inducido" y "campo magnético". Si el texto no está claramente marcado, puede utilizar el siguiente método para identificarlo.
1) Terminal de armadura: El diámetro es relativamente grande y está conectado a un portaescobillas aislante.
2) Terminal de campo magnético: De pequeño diámetro; sobre él se presiona un extremo de la bobina de campo magnético.
4. El generador del tractor es accionado por el motor, por lo que se determina el sentido de rotación. Si el generador gira en la dirección opuesta mientras se le da servicio, no generará electricidad. Esto se debe a que la corriente inducida por la bobina del inducido bajo la acción del campo magnético durante la rotación directa se comunica con la bobina de excitación a través del regulador. La dirección del campo magnético de la bobina de excitación es la misma que la dirección del magnetismo residual del núcleo de hierro, por lo que el campo magnético continúa fortaleciéndose y el voltaje aumenta rápidamente. Durante la rotación inversa, la dirección de la corriente es opuesta a la de la rotación directa. Después de que se energiza la bobina de excitación, la dirección del campo magnético es opuesta a la dirección del magnetismo residual del núcleo. El campo magnético se vuelve cada vez más débil, lo que hace que el generador. incapaz de generar electricidad.
5. Cuando la armadura del generador sufre un cortocircuito sin carga, el generador no se quemará. Esto se debe a que todos los generadores de CC utilizados en los tractores se excitan en paralelo. Cuando el generador funciona a potencia nominal, la mayor parte de la corriente generada por el devanado del inducido sale al circuito externo y una pequeña parte de la corriente ingresa al devanado de excitación para generar un campo magnético. Cuando los terminales de la armadura están en cortocircuito con la carcasa, la corriente del generador aumenta rápidamente. En este momento, aparece una gran caída de voltaje y una fuerte reacción de la armadura en el motor, lo que hace que el voltaje de salida caiga bruscamente, la corriente de excitación desaparezca rápidamente y el voltaje del generador se acerque a cero. Por lo tanto, el generador no se quemará cuando los terminales del inducido estén en cortocircuito con la carcasa.
6. Durante el uso, a veces se descubre que la polaridad del generador cambia repentinamente (es decir, la dirección de la corriente cambia). Esto se debe a que cuando la corriente de salida aumenta repentinamente, la fuerte reacción del inducido dentro del motor cambia la dirección del magnetismo residual del núcleo de hierro. En este caso, es necesario cambiarlo para que el circuito de carga funcione correctamente. El método de cambio es: conectar el polo positivo de la batería a la carcasa y tocar el polo negativo con el terminal del campo magnético durante 2-3 segundos, lo que puede cambiar la dirección del magnetismo residual del núcleo del polo magnético. (En un sistema con tierra positiva). A veces, cuando se usa una batería como fuente de energía durante el mantenimiento y se usa el método de salto de chispa para verificar fallas en la bobina de excitación, si no se presta atención a la polaridad del cableado, se usa el polo negativo de la batería como fuente de energía durante el mantenimiento. un polo de tierra, cambiando la dirección actual de la bobina de excitación y cambiando así la dirección de remanencia del núcleo de hierro. Debido al cambio de dirección del magnetismo residual, también cambia la polaridad de la tensión del generador. Esto debe tenerse en cuenta.
7. Las láminas de mica entre las láminas de cobre del conmutador del generador de CC son generalmente más bajas que las láminas de cobre. Esto se debe a que la lámina de cobre se desgasta más rápido que la lámina de mica. Después de un período de uso, la lámina de mica será más alta que la lámina de cobre del conmutador, por lo que la escobilla de carbón quedará suspendida. De esta forma aparecerán fuertes chispas entre el conmutador y las escobillas de carbón. Para evitar este fenómeno, después de pulir el conmutador, utilice una hoja de sierra para cortar aproximadamente 0,8 mm de mica debajo de la placa de cobre del conmutador. Sin embargo, algunos generadores de CC, como el ZF-28 y el ZF-33, utilizan mica artificial entre las placas de cobre del conmutador. La tasa de desgaste es similar a la de las placas de cobre, por lo que no es necesario cortar mucho las placas de mica. bajo al salir de fábrica.
[Editar este párrafo]8. Generador síncrono
Un motor síncrono funciona como generador. Es el alternador más utilizado. En la industria energética moderna, se utiliza ampliamente en energía hidroeléctrica, térmica, nuclear y diésel. Dado que los generadores síncronos generalmente utilizan excitación de CC, cuando funcionan de forma independiente, el voltaje del generador se puede ajustar fácilmente ajustando la corriente de excitación. Si está conectado a la red, el voltaje lo determina la red y no se puede cambiar. En este momento, el resultado de ajustar la corriente de excitación es ajustar el factor de potencia y la potencia reactiva del motor.
Las estructuras del estator y del rotor de los generadores síncronos son las mismas que las de los motores síncronos. Generalmente adoptan una forma trifásica, sólo que en algunos generadores síncronos pequeños, el devanado del inducido adopta una fase única.
Características operativas: Las características sin carga y las características operativas con carga caracterizan el rendimiento del generador síncrono. Estas características son una base importante para que los usuarios elijan generadores.
Características sin carga Cuando el generador no está conectado a una carga, la corriente del inducido es cero, lo que se denomina funcionamiento sin carga. En este momento, el devanado trifásico del estator del motor solo tiene la fuerza electromotriz sin carga E0 (simetría trifásica) inducida por la corriente de excitación If, y su tamaño aumenta con el aumento de If. Sin embargo, debido a la saturación del núcleo motor, ambos no son proporcionales (Figura 1). La curva que refleja la relación entre la fuerza electromotriz sin carga E0 y la corriente de excitación If se denomina característica sin carga del generador síncrono.
Reacción de la armadura Cuando el generador está conectado a una carga simétrica, la corriente trifásica en el devanado de la armadura producirá otro campo magnético giratorio, que se denomina campo magnético de reacción de la armadura. Su velocidad es exactamente igual a la velocidad del rotor y los dos giran sincrónicamente.
Tanto el campo magnético de reacción del inducido como el campo magnético de excitación del rotor del generador síncrono pueden considerarse aproximadamente como distribuciones sinusoidales. La diferencia de fase espacial entre ellos depende de la diferencia de fase temporal entre la fuerza electromotriz sin carga E0 y la corriente de armadura I. El campo magnético de reacción de la armadura también está relacionado con la condición de carga. Cuando la carga del generador es inductiva, el campo magnético de reacción del inducido actúa como un desmagnetizador, lo que hará que el voltaje del generador disminuya; cuando la carga es capacitiva, el campo magnético de reacción del inducido actúa como un magnetizador, lo que aumentará el voltaje de salida del; generador.
Las características operativas de carga se refieren principalmente a características externas y características de ajuste. La característica externa es la relación entre el voltaje del terminal del generador U y la corriente de carga I cuando la velocidad nominal, la corriente de excitación y el factor de potencia de la carga permanecen sin cambios, como se muestra en la Figura 2. La característica de regulación es que cuando la velocidad y el voltaje terminal están en los valores nominales y el factor de potencia de carga permanece sin cambios, la relación entre la corriente de excitación If y la corriente de carga I se muestra en la Figura 3. La Figura 2 también muestra tres tipos de cargas: resistiva, capacitiva e inductiva.
Debido a las diferentes influencias del campo magnético de respuesta de la armadura, las curvas de los tres también son diferentes. En las características externas, el grado de cambio de voltaje de sin carga a carga nominal se denomina tasa de cambio de voltaje △U, que comúnmente se expresa como porcentaje.
La tasa de cambio de voltaje de un generador síncrono es alrededor del 20 al 40%. Las cargas industriales y domésticas generales requieren que el voltaje permanezca básicamente sin cambios. Por lo tanto, a medida que aumenta la corriente de carga, la corriente de excitación debe ajustarse en consecuencia. La Figura 3 muestra las características de regulación en tres cargas diferentes. Aunque la tendencia de cambio de las características de regulación es opuesta a la de las características externas, para cargas inductivas y puramente resistivas, las características de regulación aumentarán, pero para cargas capacitivas, las características de regulación generalmente disminuirán.
Estructura y clasificación La estructura de los generadores síncronos se puede dividir en alta velocidad y baja (media) velocidad según su velocidad. El primero se utiliza principalmente en centrales térmicas y nucleares; el segundo está relacionado principalmente con turbinas hidráulicas de baja velocidad o motores diésel. Estructuralmente, los generadores síncronos de alta velocidad utilizan principalmente rotores de polos ocultos, y los generadores síncronos de velocidad baja (media) utilizan principalmente rotores de polos salientes.
Generador síncrono de alta velocidad Dado que la mayoría de los generadores están conectados coaxialmente con el motor primario, las centrales térmicas utilizan turbinas de vapor de alta velocidad como motor principal, por lo que los generadores de turbina suelen utilizar motores bipolares de alta velocidad con una velocidad de 3000 rpm/minutos (3600 rpm cuando la frecuencia de la red es de 60 Hz). Las centrales nucleares utilizan principalmente motores de cuatro polos con una velocidad de rotación de 1.500 rpm (1.800 rpm cuando la frecuencia de la red es de 60 Hz). Para cumplir con los requisitos de alta velocidad y alta potencia, el generador síncrono de alta velocidad adopta un rotor de polo oculto y un sistema de enfriamiento especial.
① Rotor de polo oculto: la forma es cilíndrica. El devanado de excitación de CC está ranurado en la superficie cilíndrica y fijado con cuñas de ranura metálica para que el motor tenga un entrehierro uniforme. Debido a la enorme fuerza centrífuga durante la rotación a alta velocidad, se requiere que el rotor tenga una alta resistencia mecánica. El rotor de polo oculto generalmente está forjado en una sola pieza con acero de aleación de alta resistencia y la forma de ranura generalmente está abierta para facilitar la instalación del devanado de excitación. Aproximadamente 1/3 del paso de cada polo no está ranurado y forma dientes grandes; los dientes restantes son estrechos y se llaman dientes pequeños; El centro del diente grande es el centro del polo magnético del rotor. A veces, los dientes grandes también abren algunas ranuras de ventilación más pequeñas, pero los devanados no están incrustados, a veces se fresa una ranura estrecha y poco profunda en la parte inferior de la ranura como ranura de ventilación; El rotor de polo oculto también está equipado con anillos de retención metálicos y anillos centrales en ambos extremos axiales del cuerpo del rotor. El anillo de retención es un cilindro de paredes gruesas hecho de una aleación de alta resistencia que protege el extremo del devanado de campo de ser expulsado por una enorme fuerza centrífuga. El anillo central se utiliza para evitar el movimiento axial del extremo del devanado y soportar la retención; anillo. Además, para permitir que la corriente de campo fluya hacia el devanado de campo, también se instalan anillos colectores y escobillas en el eje del motor.
(2) Sistema de refrigeración: dado que la pérdida de energía en el motor es proporcional al volumen del motor, su tamaño es proporcional a la tercera potencia del nivel métrico lineal del motor, y el tamaño de la superficie de enfriamiento del motor es solo el nivel métrico lineal del motor elevado a dos. Por lo tanto, cuando aumenta el tamaño del motor (debido a limitaciones de material, es necesario aumentar el tamaño para aumentar la capacidad), el calor que debe disiparse por unidad de superficie del motor aumentará y el aumento de temperatura del motor aumentará. también aumentar. En los generadores de turbina de alta velocidad, la fuerza centrífuga producirá una gran tensión tangencial en la superficie del rotor y en la superficie del orificio central del rotor. Cuanto mayor sea el diámetro del rotor, mayor será la tensión. Por lo tanto, dentro del rango límite de tensión permitido de los materiales de forja, el diámetro del cuerpo del rotor de un generador de turbina de 2 polos no debe exceder los 1250 mm. Para aumentar la capacidad de un generador de turbina grande, la única forma es aumentar la longitud del mismo. cuerpo del rotor (es decir, use un rotor delgado), se puede resolver aumentando la carga electromagnética. En la actualidad, la longitud del rotor puede alcanzar los 8 metros, lo que está cerca del límite. Para seguir aumentando la capacidad de una sola máquina, sólo nos queda aumentar la carga electromagnética del motor. Esto hace que los problemas de calefacción y refrigeración de los grandes generadores de turbina sean particularmente prominentes. Por ello, se han desarrollado varios sistemas de refrigeración. Para generadores de turbina de menos de 50.000 kilovatios, a menudo se utiliza un sistema de refrigeración por aire de circuito cerrado, y el ventilador del motor sopla aire y enfría los componentes de calefacción. El enfriamiento por hidrógeno se usa ampliamente en generadores de 500.000 a 600.000 kilovatios. El hidrógeno (pureza 99%) tiene mejores propiedades de disipación de calor que el aire. Usarlo en lugar de aire no solo tiene un buen efecto de disipación de calor, sino que también reduce en gran medida la pérdida por fricción de ventilación del motor, mejorando así significativamente la eficiencia del generador. Sin embargo, se deben tomar medidas a prueba de explosiones y fugas cuando se utiliza refrigeración por hidrógeno, lo que hace que la estructura del motor sea más compleja y aumenta el consumo y el costo de los materiales de los electrodos. Además, para la refrigeración también se pueden utilizar medios líquidos. Por ejemplo, la capacidad de enfriamiento relativa del agua es 50 veces mayor que la del aire, y el caudal de agua requerido es mucho menor que el del aire. Por lo tanto, usar parte del cable hueco en la bobina y agua de refrigeración en el cable puede reducir en gran medida el aumento de temperatura del motor, retrasar el envejecimiento del aislamiento y extender la vida útil del motor. En 1956, el Reino Unido fue pionero en el primer generador de turbina refrigerado por agua con bobina de estator de 12.000 kW. En 1958, la Universidad de Zhejiang y la Fábrica de Maquinaria Eléctrica de Shanghai desarrollaron por primera vez el primer generador de turbina de refrigeración interna por agua dual de 12.000 kW. Las bobinas del estator y del rotor utilizaron refrigeración interna por agua, sentando las bases para este método de refrigeración. En algunos países del mundo, la tecnología de refrigeración por agua también se utiliza ampliamente en motores de gran capacidad y se han fabricado generadores gigantes que van desde cientos de miles hasta millones de kilovatios. Además de la refrigeración por agua, el aceite de transformador también se puede utilizar como medio de refrigeración líquido. Su conductividad térmica relativa es de aproximadamente el 40% de la del agua. Tiene buenas propiedades de aislamiento y puede aumentar el voltaje nominal del generador a decenas de miles de voltios. ahorrando así inversión en el transformador elevador. En los últimos años, la tecnología de enfriamiento por evaporación que utiliza freón como medio de enfriamiento todavía está en investigación. El freón tiene un buen aislamiento y se vaporiza fácilmente. Utilizar el calor latente de la vaporización para enfriar el motor es una dirección importante a explorar.
Los generadores síncronos de baja velocidad son impulsados principalmente por turbinas hidráulicas de baja velocidad o motores diésel. El número de polos en los motores varía de 4 a 60 o incluso más. La velocidad de rotación correspondiente es de 1500 ~ 100 rpm y menos.
Debido a la baja velocidad de rotación, se utilizan generalmente rotores de polos salientes con bajos requisitos en cuanto a materiales y procesos de fabricación.
Cada polo magnético del rotor de polo saliente generalmente está hecho de una placa de acero de 1 ~ 2 mm de espesor, ensamblada en un todo con remaches, y los polos magnéticos están cubiertos con devanados de excitación (Figura 4). El devanado de campo suele estar hecho de alambre de cobre plano. El devanado del amortiguador generalmente se instala en la pieza polar del polo magnético. Es un cortocircuito formado por la tira de cobre desnuda en la ranura de amortiguación de la zapata polar y los anillos de cobre soldados en ambos extremos. Los polos magnéticos están fijados al yugo del rotor, que está fabricado de acero fundido. Los rotores de polos salientes se pueden dividir en tipos horizontales y verticales. La mayoría de los motores síncronos, cámaras síncronas y generadores impulsados por motores de combustión interna o turbinas de impulso adoptan estructuras horizontales; los generadores hidroeléctricos de baja velocidad y gran capacidad adoptan estructuras verticales;
El rotor de un motor síncrono horizontal se compone principalmente de polo principal, yugo, devanado de campo, anillo colector y eje giratorio. Su estructura de estator es similar a la de un motor asíncrono. La estructura vertical debe resistir la gravedad de la parte giratoria de la unidad y la presión descendente del agua sobre los cojinetes de empuje. En los generadores hidroeléctricos de gran capacidad, esta fuerza puede llegar a 40-50 meganewtons (aproximadamente equivalente a 4000-5000 toneladas de gravedad), por lo que la estructura de este cojinete de empuje es compleja y la tecnología de procesamiento y los requisitos de instalación son muy altos. . Según la posición de colocación del cojinete de empuje, los generadores de turbina verticales se dividen en tipo suspendido y tipo paraguas. El cojinete de empuje suspendido se coloca en la parte superior o media del marco superior. Cuando la velocidad de rotación es alta y la relación entre el diámetro del rotor y la longitud del núcleo de hierro es pequeña, el rendimiento mecánico es estable. El cojinete de empuje tipo paraguas se coloca en el marco inferior debajo del rotor o en la cubierta superior de la turbina. El marco de carga es un marco inferior más pequeño, que puede ahorrar mucho acero y reducir la altura del generador y el edificio de la fábrica desde la base.
Funcionamiento en paralelo de generadores síncronos La mayoría de generadores síncronos funcionan en paralelo y están conectados a la red para generar electricidad. Los generadores síncronos que funcionan en paralelo deben ser consistentes en frecuencia, voltaje y fase. De lo contrario, se producirá circulación interna entre los generadores en el momento de la conmutación en paralelo, provocando perturbaciones e incluso dañando los generadores en casos severos. Pero antes de que dos generadores funcionen en paralelo, en términos generales, sus frecuencias y voltajes no son exactamente iguales en magnitud y fase. Para que los generadores síncronos funcionen en paralelo, primero debe haber un proceso paralelo síncrono. Los métodos de colocación sincrónica se pueden dividir en cuasisincronización y autosincronización. Después de que el generador síncrono se pone en funcionamiento en paralelo, la distribución de carga de cada generador depende de las características de velocidad del generador. Al ajustar el regulador de velocidad del motor primario y cambiar las características de velocidad del grupo electrógeno, se puede cambiar la distribución de carga de cada generador y controlar la generación de energía de cada generador. Al ajustar la corriente de excitación de cada generador, se puede cambiar la distribución de potencia reactiva de cada generador y se puede ajustar el voltaje de la red.
El paralelo cuasi sincrónico cambia la excitación del generador ajustando la velocidad del motor primario, de modo que la diferencia de frecuencia entre el generador de excitación que se va a poner en funcionamiento y el generador en funcionamiento es inferior a 0,1 ~ 0,5%. Cuando la diferencia de fase de voltaje entre las dos máquinas no excede 10, las dos máquinas pueden funcionar automáticamente de forma sincrónica. Las operaciones de colocación casi síncronas se pueden realizar manualmente o mediante dispositivos automatizados.
La conexión a red autosincrónica consiste en ajustar la velocidad del generador que se conectará a la red a la velocidad síncrona de la red, conectar la conexión en paralelo sin excitación y luego agregar excitación, dependiendo de la circulación. corriente entre el generador y la red. El par electromagnético correspondiente sincroniza rápidamente el generador. Cuando se utiliza el paralelo autosíncrono, se reduce el tiempo necesario para ajustar la velocidad y el voltaje del generador y seleccionar el tiempo de cierre, por lo que el proceso de paralelo es más rápido, lo que es especialmente adecuado para la entrada de emergencia de unidades en caso de un accidente del sistema eléctrico. Sin embargo, en este método, el impacto actual es relativamente grande en el momento del cierre paralelo, lo que hará que el voltaje de la red caiga por un corto tiempo y el extremo del devanado del motor soportará una gran fuerza electromagnética.