Koeling van een synchrone generator

Koeling van synchrone generatoren: methoden, voordelen en beperkingen

Belangrijkheid van koeling

Koeling is een cruciaal aspect van de werking van synchrone generatoren. Natuurlijke koelmechanismen zijn ontoereikend om de aanzienlijke hoeveelheid warmte die binnen alternators wordt geproduceerd, af te voeren. Om dit aan te pakken, worden gedwongen luchtkoelsystemen gebruikt. In dergelijke systemen wordt lucht actief de alternator in geblazen, waardoor er een grotere hoeveelheid lucht over de oppervlakten ervan stroomt, wat effectief een aanzienlijke hoeveelheid warmte wegneemt. Een gesloten ventilatiesysteem is bijzonder effectief voor het verbeteren van de koeling van synchrone generatoren. In deze opstelling wordt de hete, schone lucht uit de alternator door een watergekoelde warmtewisselaar gekoeld en vervolgens met behulp van ventilatoren terug door de alternator gecirculeerd.

Om de contactoppervlakte met de koellucht te maximaliseren, worden leidingen in de stator- en rotorijzers, evenals in de veldspoelen van de generator, ingebouwd. Deze leidingen kunnen zowel radiaal als axiaal worden geconfigureerd, afhankelijk van het gewenste luchtpatroon.

Radiale stroom ventilatiesysteem

Beschrijving

In een radiale stroom ventilatiesysteem komt de koellucht via de luchtgaten in de stator de leidingen binnen en stroomt radiaal naar de achterkant van de stator, waar hij vervolgens wordt verwijderd.

Voordelen

• Lage energieverlies: De energie die nodig is voor ventilatie wordt geminimaliseerd, wat bijdraagt aan de algemene efficiëntie.

• Veelzijdigheid: Dit systeem kan worden toegepast op zowel kleine als grote machines, waardoor het een flexibele optie is voor verschillende generatorgroottes.

Beperkingen

Grootte en compactheid: De aanwezigheid van ventilatieleidingen, die ongeveer 20% van de lengte van de armatuur kunnen innemen, maakt de machine minder compact.

Warmteafvoer: In vergelijking met andere koelsystemen biedt het radiale stroomsysteem relatief minder warmteafvoer. In sommige gevallen kan de stabiliteit van het systeem worden aangetast door fluctuaties in de hoeveelheid koellucht die door de machine stroomt.

Axiale stroom ventilatiesysteem

Beschrijving

Bij deze methode wordt lucht gedwongen om axiaal door passages te stromen die zijn gemaakt door gaten in de stator en rotor.

Prestaties en beperkingen

Het axiale stroom ventilatiesysteem is zeer effectief, behalve voor machines met aanzienlijke axiale lengtes. Een van de belangrijkste nadelen is een niet-uniforme warmteoverdracht. Het luchtuitlaatgedeelte van de machine ontvangt doorgaans minder koeling omdat de lucht opwarmt terwijl hij door de axiale leidingen stroomt.

Circumferentiële ventilatie

Beschrijving

Bij circumferentiële ventilatie wordt lucht op één of meerdere punten aan de buitenrand van de statorijzer geleverd en vervolgens gedwongen om circumferentieel door de leidingen tussen de laminatielagen naar aangewezen uitlaten te stromen. Deze methode maakt het mogelijk om het leidingoppervlak te vergroten.

Combinaties en overwegingen

In bepaalde gevallen wordt circumferentiële ventilatie gecombineerd met het radiale stroomsysteem. Echter, er moet zorgvuldig worden opgetreden om interferentie tussen de twee luchtstromen te voorkomen. Om dergelijke interferentie te voorkomen, worden de buitenoppervlakken van de wisselende radiale leidingen meestal afgesloten.

Eisen voor koellucht

Voor effectieve koeling moet de gebruikte lucht schoon en vrij van stof zijn. Stofdeeltjes kunnen de leidingen blokkeren, waardoor hun doorsnede vermindert en daardoor de efficiëntie van de warmteoverdracht door geleiding afneemt. Om schoon lucht te garanderen, worden luchtfilter en kaasdoekfilters vaak gebruikt. In sommige situaties wordt de lucht in een spuitkamer gewassen. Bovendien wordt in de meeste gevallen de lucht door waterkoelers gekoeld en vervolgens hergebruikt.

Beperkingen van luchtcooling

Uitrusting en kosten: Voor grote capaciteitsmachines worden de ventilatoren die nodig zijn om de lucht te circuleren, groter en consumeren aanzienlijke hoeveelheden energie. Dit vereist het gebruik van hulpapparatuur, wat duur kan zijn.

Capaciteitsbeperkingen: Er is een optimale rating voor machines waarbij luchtcooling niet langer voldoende is om de temperatuur binnen veilige werkingsgrenzen te houden.

Hydrogenkoeling van synchrone generatoren

In een hydrogengekoeld systeem dient waterstofgas als koelmiddel. Een meer diepgaande verkenning van deze methode kan worden gevonden in het artikel "Hydrogen Cooling of Synchronous Generator."

Directe waterkoeling in synchrone generatoren

Toepassing

Hydrogenkoeling blijkt ontoereikend voor het afvoeren van warmte van grote turbo-alternators met capaciteiten van 500 MW of meer. De grote hoeveelheid waterstofgas die nodig is voor dergelijke machines, kan het economisch onhaalbaar maken. In deze gevallen wordt directe waterkoeling toegepast. In zeer grote turbo-generatoren worden de rotors vaak door waterstof gekoeld, terwijl de statorwindingen door direct gedemineraliseerd water worden gekoeld. Het water wordt gecirculeerd met behulp van een wisselstroommotor-aangedreven centrifugaalpomp, en patroonfilters worden gebruikt om onzuiverheden te verwijderen. Deze filters zijn specifiek ontworpen om metalen corrosieve deeltjes die in de windingen en leidingen worden gegenereerd, te voorkomen dat ze de holle geleiders van de windingen binnengaan.

Voordelen ten opzichte van hydrogenkoeling

• Efficiëntie: Watergekoelde systemen zijn sneller en efficiënter vanwege de hogere thermische geleidbaarheid van water in vergelijking met waterstof.

• Ruimteoptimalisatie: De kleinere leidingoppervlakte die nodig is voor water, maakt meer ruimte beschikbaar voor geleiders binnen de sleuven, waardoor het ontwerp van de generator wordt geoptimaliseerd.

Nadelen

• Purificatievereisten: Het water dat wordt gebruikt voor koeling moet hoog gepurificeerd zijn om een toename van de geleidbaarheid te voorkomen, wat elektrische problemen zou kunnen veroorzaken.

• Kosten: Waterkoeling is doorgaans duurder dan hydrogenkoeling, waardoor het een kostbaardere optie is voor generatorkoeling.

Samenvattend betreft de koeling van synchrone generatoren een reeks methoden, elk met zijn eigen set voordelen en beperkingen. Het selecteren van de juiste koelmethode hangt af van factoren zoals de grootte, capaciteit en operationele eisen van de generator.