Køling af en synkron generator

Køling af synkronmotorer: Metoder fordele og begrænsninger

Betydningen af køling

Køling er en kritisk aspekt af drift af synkronmotorer. Naturlige kølingsmekanismer er utilstrækkelige til at dissipere den betydelige mængde varme, der opbygges i alternatorer. For at løse dette anvendes tvinget luftkølingssystemer. I disse systemer bliver luften aktivt ført ind i alternatoren, hvilket sikrer, at en større mængde luft passer over dens overflader, og effektivt fjerner en betydelig mængde varme. Et lukket cirkulationsventilationsystem er særdeles effektivt for at forbedre kølingen af synkronmotorer. I denne opsætning bliver den varme, rene luft fra alternatoren kølet af et vandkølt varmeudveksler og derefter cirkuleret tilbage gennem alternatoren ved hjælp af ventilatorer.

For at maksimere overfladearealen, som er i kontakt med køleluften, er kanaler integreret i stator- og rotorjernhjerterne, samt feltspolerne på generatorn. Disse kanaler kan konfigureres enten i en radial eller aksial retning, afhængigt af det ønskede luftstrømningsmønster.

Radial strøm ventileringssystem

Beskrivelse

I et radial strøm ventileringssystem kommer køleluften ind i kanalerne via luftspillet i stator og strømmer radiaelt mod bagved stator, hvor den herefter fjernes.

Fordele

• Lav energitab: Den energi, der kræves til ventilation, er minimaliseret, hvilket bidrager til den samlede effektivitet.

• Fleksibilitet: Dette system kan anvendes både på små og store maskiner, hvilket gør det til en fleksibel mulighed for forskellige generatorstørrelser.

Begrænsninger

Størrelse og kompakthed: Nærværelsen af ventilationskanaler, som kan optage omkring 20% af armaturets længde, gør maskinen mindre kompakt.

Varmefjernelse: I forhold til andre kølesystemer tilbyder det radielle strømsystem relativt lavere varmefjernelse. I nogle tilfælde kan systemets stabilitet være udsat for risiko på grund af variationer i mængden af køleluft, der strømmer gennem maskinen.

Aksial strøm ventileringssystem

Beskrivelse

I denne metode bliver luften tvunget til at strømme aksialt gennem passager, der er skabt af hulrum i stator og rotor.

Ydeevne og begrænsninger

Aksial strøm ventileringssystemet er højst effektivt, bortset fra maskiner med betydelige aksiale længder. En af dets store ulemper er ulige varmetransfer. Udledningssektionen af maskinen har ofte mindre køling, da luften opvarmes, mens den bevæger sig gennem de aksiale kanaler.

Cirkumferensiel ventilering

Beskrivelse

I cirkumferensiel ventilering leveres luften på et eller flere punkter på den ydre periferi af statorjernet og tvinges derefter til at strømme cirkumferentiel gennem kanalerne mellem laminaterne til bestemte udledninger. Denne metode tillader en øgning i kanalareal.

Kombinationer og overvejelser

I visse tilfælde kombineres cirkumferensiel ventilering med det radielle strømsystem. Dog skal man være opmærksom på ikke at forårsage støj mellem de to luftstrømninger. For at undgå sådan støj er de ydre overflader af de alternerende radielle kanaler typisk lukket.

Krav til køleluft

For effektiv køling skal brugt luft være ren og fri for støv. Støvpartikler kan blokere kanalerne, reducerer deres tværsnit og dermed nedsætter effekten af varmetransfer ved konduktion. For at sikre ren luft anvendes luftfiltre og ostebindsfiltre ofte. I nogle situationer bliver luften vasket i en sprøjtekammer. Desuden bliver luften i de fleste tilfælde kølet af vandkølere og derefter recirkuleret for genbrug.

Begrænsninger ved luftkøling

Udstyr og omkostninger: For store kapacitetsmaskiner bliver de ventilatorer, der kræves til at cirkulere luften, større og forbruger betydelige mængder energi. Dette nødvendiggør brugen af hjælpeudstyr, hvilket kan være dyrt.

Kapacitetsbegrænsninger: Der findes en optimal rating for maskiner, hvorefter luftkøling ikke længere er tilstrækkelig til at opretholde temperaturen inden for sikre driftsgrænser.

Hydrogenkøling af synkronmotorer

I et hydrogenkølesystem fungerer hydrogen gas som kølemiddel. En mere uddybet gennemgang af denne metode kan findes i artiklen "Hydrogenkøling af synkrongenerator."

Direkte vandkøling i synkronmotorer

Anvendelse

Hydrogenkøling viser sig utilstrækkelig til at fjerne varme fra store turbogeneratormaskiner med en kapacitet på 500 MW eller mere. Den store mængde hydrogen gas, der er nødvendig for sådanne maskiner, kan gøre dets anvendelse økonomisk urimelig. I disse tilfælde anvendes direkte vandkøling. I meget store turbogeneratormaskiner bliver rotorerne ofte kølet af hydrogen, mens statorvindingerne køles af direkte demineraliseret vand. Vandet cirkuleres ved hjælp af en AC-motor-drevet centrifugalpumpe, og patronfiltre bruges til at fjerne urenheder. Disse filtre er specifikt designet for at forhindre, at korrosive metalpartikler, der dannes i vindingerne og rørledningen, kommer ind i de tomme ledertråde i vindingerne.

Fordele i forhold til hydrogenkøling

• Effektivitet: Vandkølesystemer er hurtigere og mere effektive på grund af vands højere termiske ledningsevne sammenlignet med hydrogen.

• Pladsoptimering: Den mindre kanalareal, der er nødvendig for vand, giver plads til flere ledertråde i spalterne, hvilket optimerer generator-designet.

Ulemper

• Rensningskrav: Vandet, der anvendes til køling, skal være højt rent for at forhindre en stigning i dens ledningsevne, hvilket kunne føre til elektriske problemer.

• Omkostninger: Vandkøling er generelt dyrere end hydrogenkøling, hvilket gør det til en mere kostbar mulighed for generator-køling.

Sammenfattende involverer kølingen af synkronmotorer en række metoder, hver med deres egne sæt af fordele og begrænsninger. Valg af den passende kølemetode afhænger af faktorer som generatorstørrelse, kapacitet og driftskrav.