Як генератор виробляє електрику? Розуміння принципів, структури, експлуатації та обслуговуванні в одній статті!

Генератор є "останнім кроком у виробництві електричної енергії" – він перетворює механічну енергію, передану турбіною, на електричну енергію, яку ми можемо використовувати. Як генератор виробляє електрику? Які функції виконують компоненти, такі як статор і ротор? Нижче ми пояснимо їх по черзі.

1. Генератор виробляє електрику через "електромагнітну індукцію".

Принцип роботи генератора базується на законі електромагнітної індукції — простіше кажучи, це означає "обертове магнітне поле, яке перетинає дроти і створює електричний струм". Візьмімо як приклад "синхронний генератор", який часто використовується на електростанціях, що використовують теплову енергію, весь процес виробництва електроенергії складається з 4 кроків:

Крок перший : Створення магнітного поля ("магнітне джерело")

Принцип: Подача постійного струму на "обмотку збудження" ротора генератора створює магнітне поле з чергуванням полюсів (наприклад, N і S, розташовані почергово), це є "основним магнітним полем", що еквівалентно наявності "магнітного джерела" для виробництва електроенергії.

Головне джерело: Струм збудження подається через "систему збудження" (наприклад, трансформатори збудження, випрямні пристрої), що нагадує "зарядження" магнітного поля, забезпечуючи стабільність його сили.

Крок другий : Надання сили різання (вхід "руху")

Принцип: Турбіна (первинний двигун) електростанції приводить ротор генератора у обертання через муфту — потужність турбіни надходить від пари (пара впливає на лопаті, змушуючи їх обертатися, перетворюючи внутрішню енергію на механічну), а ротор обертається разом із головним магнітним полем, створюючи «обертове магнітне поле».

Ключова дія: Швидкість обертового магнітного поля узгоджена зі швидкістю турбіни (наприклад, 3000 об/хв відповідає змінному струму 50 Гц), цей етап є «подачею механічної енергії на генератор», а також «джерелом живлення для того, щоб магнітне поле перетинало провідники».

Турбіна приводить ротор генератора у обертання зі швидкістю 3000 об/хв, тому обертове магнітне поле може безперервно перетинати обмотку статора.

Етап Третій : Виникнення наведеної електрорушійної сили

Принцип: Обертове магнітне поле послідовно перетинає 'трьохфазні симетричні обмотки' на статорі (три фази A-X, B-Y, C-Z, просторово розділені на 120° електричного кута). Згідно із законом електромагнітної індукції, провідник, що перетинає силові лінії магнітного поля, генеруватиме 'наведену електрорушійну силу', подібно до 'водяного тиску в трубі'.

Головні характеристики: Наведена електрорушійна сила є 'трьохфазним симетричним змінним струмом', величина та напрямок якого періодично змінюються з обертанням магнітного поля, що є 'прототипом' електричної енергії.

Крок чотири : Віддача електричної енергії

Принцип: Виводи обмотки статора виведені назовні та підключені до електричного кола; наведена електрорушійна сила спричиняє рух заряду, утворюючи "струм" — механічна енергія остаточно перетворюється на електричну, завершуючи весь процес перетворення енергії.

Забезпечення стабільності: Для отримання корисної та стабільної електричної енергії також необхідно використовувати "систему контролю та захисту" (наприклад, регулятори напруги та диференційний захист), щоб уникнути коливань напруги або несправностей, які можуть пошкодити обладнання.

2. Основні конструкції: 'Чотири ключові компоненти' генератора Генератор може здаватися складним, але його основна структура складається з чотирьох частин, кожна з яких виконує певну функцію:

Статор: "Нерухома частина, яка виробляє електрику"

Компоненти: три основні частини — магнітопровід статора, обмотка статора та корпус машини.

Магнітопровід статора: Виготовлений із зібраних разом "нелегованих холоднокатаних електротехнічних сталей класу F" (товщиною приблизно 0,35 мм), має добру магнітну провідність і низькі втрати;

Обмотка статора: Сплетена з кількох жил суцільного мідного дроту та ізольована "мікролентою класу F", вона виступає як "провід", що створює індуковану електрорушійну силу;

База машини: Цільна сталева конструкція з «пружними позиційними ребрами» у внутрішній порожнині, яка може зменшувати гармонійне вібрування під час роботи (щоб уникнути передачі вібрації від сердечника до основи).

Функція: Залишається нерухомою, дозволяючи обертовому магнітному полю ротора перетинати обмотку, завдяки чому генерується електрична енергія.

Ротор: «Обертове магнітне поле»

Склад: Сердечник ротора (або полюси), обмотка збудження, ковзні кільця та вал ротора.

Вал ротора: Виготовлений з високоміцної легованої сталі, це суцільна кована деталь, здатна витримувати крутний момент парової турбіни, виступаючи «каркасом» ротора;

Обмотка збудження: Намотана в пазах сердечника ротора, вона пропускає постійний струм для створення основного магнітного поля. Повітроводи в пазах формують «охолоджувальний повітряний канал» (щоб запобігти перегріву обмотки);

Ковзне кільце: З'єднує збуджувальну обмотку з зовнішньою системою збудження, відповідальне за передачу постійного струму збудження (поверхня ковзного кільця має бути гладкою, щоб уникнути поганого контакту). Шорстке ковзне кільце легко викликає іскріння.

Функція: Обертається разом із основним магнітним полем, забезпечуючи «потужність для перетину магнітних ліній».

Кінцева кришка та підшипник: «З'єднання та підтримка»

Кінцева кришка: Закріплена на обох кінцях машинного фундаменту, герметично закриває внутрішню частину генератора, щоб запобігти потраплянню пилу та вологи;

Підшипник: Поділяється на «радіальний підшипник» та «осьовий підшипник» — радіальний підшипник підтримує вагу ротора і зменшує обертальне тертя; осьовий підшипник обмежує осьове переміщення ротора (запобігає дотику ротора до статора), а мастило проходить через підшипник, утворюючи «мастильну плівку», яка зменшує знос.

Повітряний охолоджувач: «Ключ до охолодження»

Функція: Під час роботи генератора сердечник і обмотки виділяють тепло (наприклад, втрати в міді та сталі). Повітряний охолоджувач відводить тепло за допомогою «циркуляції холодного повітря», підтримуючи температуру статора на рівні ≤130°C та температуру ротора на рівні ≤120°C (допустима температура для ізоляції класу F).

Деталі: Охолоджувачі зазвичай встановлюються на обох кінцях генератора (у деяких випадках — також посередині), температура води на вході має бути в межах 30-35°C, а температура води на виході не повинна перевищувати 40°C для забезпечення ефективного охолодження.

3. Основні моменти експлуатації та обслуговування:

1. Контроль температури: Уникання перегріву та пошкоджень

Увага під час перевірки:

Температура обмотки статора: Контролюється за допомогою вбудованих температурних датчиків, нормальна температура ≤130℃, спрацьовує сигналізація при перевищенні 140℃ (для допоміжного вимірювання температури поверхні сердечника може використовуватися інфрачервоний термометр);

Температура обмотки ротора: Контролюється за допомогою температурного опору поблизу контактних кілець, нормальна температура ≤120℃;

Температура підшипника: радіальний підшипник ≤ 65℃, упорний підшипник ≤ 75℃, перегрів може призвести до виходу підшипника з ладу (на одній з електростанцій довелося зупинити устаткування для обслуговування через перевищення температури підшипника понад 80℃).

2. Перевірка вібрації: Запобігання тертям між рухомими та нерухомими частинами

3. Перевірка ізоляції: уникати витоків струму

Увага під час перевірки:

Ізоляція обмотки статора: один раз на місяць вимірюйте опір ізоляції відносно землі за допомогою мегаомметра на 2500 В, кваліфікованим вважається опір ≥1 МОм (при 25°C), якщо опір нижче 0,5 МОм, необхідно виконати сушіння;

Ізоляція контактних кілець: перевірте, чи немає пошкоджень ізоляційної втулки між контактним кільцем та валом ротора, щоб уникнути витоків збуджувального струму.

Дії з експлуатації та обслуговування: під час зупинки очистіть поверхню обмотки статора від пилу, щоб запобігти потраплянню мастила та вологи, що може погіршити ізоляцію.

4. Контроль параметрів: забезпечення якості електроенергії

Увага під час перевірки:

Напруга: Відхилення вихідної напруги статора ≤ ±5% від номінального значення (наприклад, для генератора 10,5 кВ, напруга має бути в межах 9,975~11,025 кВ);

Струм: Не повинен перевищувати номінальний струм (наприклад, для генератора 15 МВт, номінальний струм становить приблизно 866 А), щоб уникнути перевантаження;

Збуджувальний струм/напруга: Стабільний навколо номінального значення, з коливаннями ≤ ±2% (нестабільний збуджувальний струм може призводити до нестабільних магнітних полів, що впливає на напругу).

5. Чистка та обслуговування: Зменшення ризиків виходу з ладу

Увага під час перевірки:

Повітряний охолоджувач: Прибирайте пил з ребер охолодження кожні три місяці (продувайте стисненим повітрям), щоб запобігти забиванню, яке може призвести до зниження ефективності охолодження;

Ковзне кільце: Підтримуйте гладку поверхню, перевіряйте зношення вугільних щіток (замінюйте їх, коли вони досягають заданої довжини) і забезпечте стабільну передачу збуджувального струму; не забудьте перевірити, чи немає ослаблення тримача вугільних щіток.◦

Всередині машини: один раз на рік під час простою перевіряйте статорне осердя на наявність розхитування та обмотки на деформації, а також очищуйте від накопиченого всередині пилу.