Elektrický generátor

Turbogenerátorem se označuje spojené zařízení turbíny (modrá) a elektrického generátoru (oranžový), umístěné na společné hřídeli

Turbogenerátor

Elektrický generátor je nejčastěji používaný točivý elektromechanický stroj, sloužící k výrobě elektrické energie. Setkáme se s ním prakticky ve všech tepelných elektrárnách v roli posledního článku přeměny energie od primárních paliv až po univerzální formu široko použitelné energie elektrické. Elektrický generátor pracuje na principu elektromagnetické indukce – otáčivé magnetické pole tvořené cívkami rotoru generuje v pevných cívkách statoru střídavé elektrické napětí. V současných energetických soustavách se používá třífázové vedení elektrické energie, proto i všechny výkonové elektrické generátory mívají minimálně tři páry statorových cívek, pro každou fázi jednu. Pro optimální přenos krouticího momentu z turbíny je elektrický generátor umístěn na společném rotoru a spolu s turbínou tvoří jeden celek – turbogenerátor. Stejně jako parní turbína je elektrický generátor dobře výkonově škálovatelný, existují generátory od řádu wattů až po stovky a tisíce megawattů. Účinnost elektrických generátorů je velmi dobrá a pohybuje se kolem 96 %. To znamená, že jen několik málo procent z mechanické energie rotoru se mění ve ztráty – především v neuži tečné a nevyužitelné teplo.

Kontakty komutátoru elektrického dynama se systémem sběrných kartáčů

Historie

Teoretické principy elektromagnetické indukce a tím i dnešních generátorů objevil ve třicátých letech 19. století Michael Faraday. Vývoj v oblasti elektrických generátorů se časem přizpůsoboval potřebám používaného napětí. V začátcích, kdy převládalo používání stejnosměrného napětí v elektrických rozvodech, vznikaly stejnosměrné generátory – dynamo-elektrické stroje. První moderní průmyslová dynama vynalezli nezávisle na sobě Sir Charles Wheatstone, Werner von Siemens a Samuel Alfred Varley. Statorové magnetické pole z permanentních magnetů v nich bylo nahrazeno elektromagnety a stejnosměrný proud byl odebírán přes komutátor. S příchodem střídavého proudu přišly i střídavé generátory – alternátory. Průkopníky v této oblasti byli v osmdesátých letech 19. století J. E. H. Gordon, William Stanley a Sebastian Ziani de Ferranti, který začlenil svůj alternátor do první moderní uhelné elektrárny Deptford Power Station s vysokonapěťovým (10 000 V) vyvedením střídavého napětí pro zásobování centrálního Londýna elektrickou energií. Tato koncepce se na celém světě používá dodnes.

Rozdělení a konstrukce generátorů

Hlavní dělení elektrických generátorů je na generátory stejnosměrného napětí – dynama, a generátory střídavého napětí – alternátory.

Elektrické dynamo se skládá ze statoru, zabezpečujícího konstantní magnetické pole, a z rotoru se soustavou rotujících cívek, ve kterých se indukuje elektrické napětí. Magnetické pole je tvořeno jedním nebo několika magnety, u výkonových dynam se častěji používají cívky elektromagnetů. Konce vodičů rotorových cívek jsou vyvedeny na mechanické kontakty, zvané komutátor, zabezpečující usměrnění a vyvedení indukovaného napětí z rotoru. Komutátor je vlastně rotační přepínač – prstenec na hřídeli rotoru. Po obvodu se skládá z řady izolovaných vodivých segmentů, ke kterým jsou připojeny cívky tak, že na sběrné kontakty je vždy napojena rotorová cívka s maximálním indukovaným napětím. Tím je dosaženo vyhlazení průběhu výstupního stejnosměrného napětí.

Generátory v uhelných elektrárnách jsou dlouhé několik metrů a většinou se otáčejí rychlostí 3 000 ot./min

Elektrický generátor střídavého proudu – alternátor – pracuje na stejném principu jako dynamo, ale nepoužívá komutátor, a magnetické pole je většinou tvořeno rotorovými magnety nebo vinutím rotorových cívek. V energetice pracují alternátory v synchronním režimu s frekvencí sítě, do které jsou zapojeny. Hlavním kritériem dělení alternátorů je typ rotoru, dalšími jsou například otáčky a počet pólových párů nebo způsob buzení – tvorby magnetického pole.

Podle konstrukce rotoru rozlišujeme alternátory s hladkým rotorem a alternátory s vyniklými póly rotoru. Hladký rotor je typický prakticky pro všechny turboalternátory v tepelných elektrárnách. Cívky elektromagnetů jsou uloženy v drážkách rotoru a tvoří tak otáčející se elektromagnet. Počet pólů tohoto elektromagnetu je u synchronních strojů dán rychlostí otáčení rotoru. Při frekvenci sítě 50 Hz se dvoupólové rotory otáčejí rychlostí 3 000 ot./min., čtyřpólové rotory pak poloviční rychlostí 1 500 ot./min.

Z konstrukčního hlediska mívají hladké rotory (a tím i turboalternátory) malý průměr, kolem 1 metru, z důvodu zachování maximálních povolených odstředivých sil působících na cívky. Zvyšování jednotkového výkonu alternátorů je následně možné jenom jejich prodlužováním. Alternátory tepelných elektráren jsou dlouhé i několik metrů.

V podstatě u generátorů existují dva způsoby vytvoření magnetického pole rotoru – pomocí permanentních magnetů nebo pomocí elektromagnetů. Elektromagnety musí být napájeny stejnosměrným budícím proudem. Podle způsobu přivedení tohoto proudu k cívkám rotoru rozlišujeme alternátory na alternátory s pomocným budičem a bezkartáčové alternátory. Pomocný budič je malý generátor stejnosměrného proudu na společné hřídeli s hlavním alternátorem, jehož úlohou je napájení elektromagnetů. Budící proud se na rotující část přenáší pomocí soustavy izolovaných sběrných kroužků a kontaktních kartáčů. Intenzita buzení ovlivňuje výstupní napětí alternátoru. U bezkartáčových alternátorů je budič zakomponován přímo do konstrukce hlavního alternátoru. Magnetické pole stacionárního elektromagnetu (budič) generuje v pomocných cívkách rotoru střídavé napětí, které po usměrnění napájí rotující magnetické pole hlavního generátoru. Kroužky ani kartáče v tomto případě nejsou potřebné.

Pro bezporuchovou práci elektrického generátoru jsou užitečné i další pomocné systémy, jako jsou: vzduchové, vodíkové nebo vodní chlazení elektrických součástí, olejové mazání ložisek nebo vyvedení elektrického výkonu pomocí zapouzdřených vodičů.

Generátor JE Temelín TG 1 000 MW

Turbíny temelínských bloků zpočátku poháněly třífázové dvoupólové synchronní elektrické generátory, každý o jmenovitém výkonu 1 000 MW. V rámci rekonstrukce a zvýšení výkonu využitím projektových rezerv byly elektrické generátory modernizovány a přetypovány z původního výkonu na 1 125 MWe (1 250 MVA).

Generátor je společně s turbínou umístěn ve strojovně na podlaží +15 m. Kostra statoru je složena z magneticky orientovaných plechů (magnetický obvod statoru) s drážkami, ve kterých je uloženo duté měděné třífázové statorové vinutí. Konce vinutí jsou vyvedeny přes plynotěsné průchodky do zapouzdřených vodičů a přes generátorový vypínač vedou mimo strojovnu do tří jednofázových blokových transformátorů. Duté vodiče statorových vinutí cívek jsou chlazeny protékající demineralizovanou vodou, magnetický obvod statoru je chlazen cirkulujícím vodíkem.

Hladký rotor je výkovkem z jednoho kusu oceli. V podélně vyfrézovaných drážkách jsou nalisovány měděné vodiče rotorového vinutí, do kterého je přiváděno budící napětí prostřednictvím sběracího ústrojí tvořeného čtyřmi kroužky s kartáči. Buzení rotoru zabezpečuje samostatný třífázový generátor umístěný na stejné hřídeli jako hlavní generátor. Stejnosměrné budící napětí je odebíráno z bloku tyristorových usměrňovačů.

Velkému výkonu odpovídá i vyšší výstupní napětí alternátoru 24 kV. Při tomto napětí dosahuje nominální proud až 27 kA.

Fyzikální principy

Základním principem fungování elektrických generátorů je princip elektromagnetické indukce.

Generování elektrického proudu při otáčení vodivého závitu v magnetickém poli je opačný proces, než který probíhá ve stejnosměrném elektrickém motoru

Elektromagnetická indukce je jev, při kterém ve vodiči umístěném v nestacionárním magnetickém poli vzniká indukované elektromotorické napětí a proud. Nestacionární magnetické pole je charakterizované časovou změnou magnetického indukčního toku Φ. Pokud si magnetický indukční tok představíme jako plochu vodivého závitu S, kterou kolmo prochází magnetická indukce B, potom:

Φ = B . S

Zákon elektromagnetické indukce, který objevil v roce 1831 na základě svých pokusů Michael Faraday, říká, že velikost indukovaného napětí ve smyčce je rovné změně magnetického indukčního toku ΔΦ za čas Δt.

Ui = −ΔΦ/Δt

Indukovaný proud má takový směr, že svými magnetickými účinky působí proti změně, která ho vyvolala.

Vektor magnetické indukce B musí být kolmý k ploše závitu s a rovnoběžný s normálovým vektorem plochy n