Turbo generator
En turbo-generator , også kendt som en fuld stang maskine , er en form for synkron generator , der er primært drevet af høj hastighed gas eller damp turbiner. Kombinationen af turbo-generator og turbinen kaldes en turbo sæt .
Hovedanvendelsesområdet for denne maskine er i området mellemstore til større termiske kraftværker såsom kul eller atomkraftværker til generering af elektrisk energi . Mere end 75% af verdens elektriske energi genereres ved hjælp af turbogeneratorer.
konstruktion
Den vigtigste differentierende funktion fra den fremtrædende polmaskine , som også er en synkron generator , er den forholdsvis høje hastighed på 3.000 eller 1.500 min -1 i netværk med 50 Hz netfrekvens og 3.600 eller 1.800 min -1 i netværk med 60 Hz. At kontrollere de involverede centrifugalkræfter rotoren er designet som en slank, lang fuldpolet rotor og drives i vandret position. På nuværende tidspunkt er den maksimale mulige diameter på ca. 1,25 m i 3000 min -1 og 1,15 m i 3600 min -1 . Med firepolede maskiner er de mulige rotordiametre betydeligt større (med 2 m i 1500 min -1 ). Grænseværdierne skyldes de i øjeblikket teknisk gennemførlige maksimale periferihastigheder på op til 235 m / s, hvor der anvendes en overhastighedsfaktor på 1,2 (20% overhastighed baseret på den nominelle hastighed) som grundlag for designet.
På rotoren er rillerne til modtagelse af excitationsviklingen direkte fra det massive rotorlegeme (smedning) fræses ud . Rotorviklingen indsættes i disse slots og klemmes fast. En hættering krympes på enden af ballen. Dette forhindrer kobberviklinger, der kommer sammen i enden (rotorviklingshoved) i at flyve ud på grund af centrifugalkræfterne. I modsætning til selve rotoren er dækringen lavet af højlegeret, ikke-magnetisk stål og danner sammen med spaltekiler på overfladen af rotoren et elektrisk ledende bur, der kaldes en spjældvikling . Spjældviklingen tjener til at reducere stødbelastninger (rotorsvingninger) og opvarmningen af rotoren, når belastningen er ubalanceret . I rotoren, som er smedet af massivt stål, forekommer der ikke skiftevis felt og derfor ingen hvirvelstrømme under symmetrisk belastning . En ubalanceret belastning resulterer imidlertid i et roterende magnetfelt i rotorens stålkerne, hvilket kan føre til hvirvelstrømme og uacceptabel opvarmning og i ekstreme tilfælde til ødelæggelse af turbogeneratoren.
At forsyne magnetiseringsviklingen med jævnstrøm , i ældre turbogenerationer, jævnstrøm maskiner , som i dette tilfælde også omtales som excitation maskiner , blev anvendt fast koblet til aksen . Tilførslen af jævnstrøm til turbogeneratorens rotor skal derefter ske via børster og glideringe.
I dag er der hovedsagelig to typer excitation, der er almindelige for store turbogeneratorer:
- Børsteløs excitering med roterende exciter (f.eks. Ekstern polmaskine med dioder fastgjort til eller i rotorakslen til udbedring). Excitoren tilføres udefra med en jævnstrøm, som normalt stilles til rådighed af et konverteringssystem.
- Statisk excitation: Et konverteringssystem leverer jævnstrømmen, som overføres til rotorviklingen på den interne polmaskine via en børstebro (glidringe og kulbørster). Med denne variant kan børsterne let udskiftes under drift.
Hvilken af de to nævnte metoder, der anvendes i hvert tilfælde, afhænger ud over den respektive producents filosofi primært af kravene fra kraftværksoperatøren. Begge metoder har fordele og ulemper:
- Den roterende exciter er normalt vedligeholdelsesfattig, men i en nødsituation kan vedligeholdelse / reparation kun udføres, når maskinen står stille. Strømmene, der skal behandles af det tilknyttede ensrettersystem, er forholdsvis lave, men sporing af exciteringsstrømmen i tilfælde af hurtige ændringer i driftstilstanden er ret langsom på grund af excitationstidskonstanterne. For at kompensere for spændingsfald ved generatorterminalerne skal konverteringssystemet tilvejebringe meget store spændingsreserver (såkaldt loft excitation) sammenlignet med normal drift.
- Den statiske konverterings excitation er generelt noget mere kompleks i strukturen, men kan stort set opretholdes online, dvs. H. under driften af generatoren. De strømme, der skal behandles, svarer til de krævede exciteringsstrømme og ligger i området op til 10 kA for store maskiner. På den anden side kan den statiske excitation reagere meget hurtigt på belastningsændringer, hvorved loftsspændingen kan være betydeligt lavere end med den roterende exciter. Denne dynamiske fordel bliver mere og mere vigtig i dag på grund af den stigende belastningsdynamik i netværk med mange regenerative energiproducenter. Netværksoperatører stiller som regel visse minimumskrav til generatoranlæg fra kraftværksoperatører med hensyn til dynamik og pålidelighed i tilfælde af korte funktionsfejl, som ofte ikke kan opnås med roterende motorer.
Excitationen er meget vigtig for generatorens funktionsmåde, da terminalens spændings amplitude og dermed den reaktive effekt , som generatoren kan stille til rådighed for netværket, reguleres via indstillingen af excitationsstrømmen (den aktive effekt bestemmes af turbinehastigheden eller dens drejningsmoment) . Excitationseffekten i turbogeneratorer er ca. 0,5% til 3% af generatoreffekten.
I modsætning til langsomt roterende fremtrædende polmaskiner er turbogeneratorer desuden ikke modstandsdygtige over for tomgang og tillader kun en lille overhastighed. I tilfælde af pludselig belastning (i værste fald på grund af en uforudset frakobling af nettet) skal en automatisk nedlukning af turbinen finde sted straks for at undgå mekaniske skader. Til dette formål har dampturbinerne, der driver generatoren, såkaldte hurtiglukkende ventiler, som blokerer den fulde dampmassestrøm til turbinerne inden for mindre end et sekund og leder den til kondensatoren via omdirigeringsstationer . Dette betyder, at møllerne ikke længere kan generere drejningsmoment. Turbogeneratoren slukkes parallelt .
Generatorspændingen for en turbogenerator er 6,3 kV med effekt i området 40 MVA, med store turbogeneratorer på over 1000 MVA opnås op til 27 kV. Strømmen i større systemer er omkring 10 kA . En generatorafbryder , generatorspændingen leveres til den opstillede i nærheden af den leverede maskinsal generator transformer , som den i højspændingseffekten intensiverede den sædvanlige spænding, for eksempel 400 kV.
køling
Afkølingstypen vælges afhængigt af turbogeneratorernes kapacitet .
- I maskiner med output på op til 300 MW køles maskinen hovedsageligt med frisk luft .
- I effektområdet fra 250 MW til 450 MW udføres kølingen for det meste ved hjælp af brint , hvis store specifikke varmekapacitet muliggør mere effektiv køling i forhold til luft.
- De i øjeblikket mest kraftfulde turbogeneratorer op til 1.800 MW afkøles i kombination med brint og rent vand. Turbogeneratorens viklinger er designet med bølgeledere til målrettet varmeafledning. Disse bølgeledere består af kobberstænger, der har et hulrum indeni. Det respektive kølemedium strømmer gennem dette hulrum og spreder således varmetabet.
Med en effektivitet på op til 99% er turbogeneratorer blandt de mest effektive energikonvertere .
Betydningen for produktion af elektrisk energi
I 2000 udgjorde den elektriske energiproduktion 55.440 PJ (svarer til 15.400 TWh). Fossile energikilder ( kul , gas , olie ) tegnede sig for omkring 64%, og kernekraftværker for yderligere 17% . I begge områder af termiske kraftværker bruges kun turbogeneratorer til at generere elektricitet .
litteratur
- Rolf Fischer: Elektriske maskiner . 14. udgave. Hanser, 2009, ISBN 978-3-446-41754-0 .
Weblinks
- Patent EP1628382 : rotor til en generator, især en turbo-generator med høj effekt.
- Patent DE10310308 : Turbogenerator.
Individuelle beviser
- ↑ Turbogeneratorer i gasturbinesystemer - Del 2, ISBN 978-1-84569-728-0 (Print) 978-0-85709-606-7 (Online), Woodhead Publishing Inc., kapitel 8.2.4
- ^ Eugen Wiedemann, Walter Kellenberger: Konstruktion af elektriske maskiner . Springer, 1967, ISBN 978-3-662-12180-1 , pp. 69 - 70 (genoptrykt 2013).