Kjøling av en synkron generator

Kjøling av synkronmotorer: Metoder, fordeler og begrensninger

Viktigheten av kjøling

Kjøling er en kritisk del av drift av synkronmotorer. Naturlige kjølingsmekanismer er utilstrekkelige for å dissipere den store mengden varme som genereres inni alternatorer. For å løse dette, benyttes tvinget luftkjølingssystemer. I slike systemer presses luft aktivt inn i alternatoren, noe som sikrer at en større volum av luft passerer over dens overflater, og effektivt fjerner en betydelig mengde varme. Et lukket kjølingssystem er spesielt effektivt for å forbedre kjølingen av synkronmotorer. I denne oppsettet kjøles den varme, rene luften fra alternatoren ved hjelp av et vannkjølt varmeeksverger, før den sirkuleres tilbake gjennom alternatoren ved hjelp av ventilatorer.

For å maksimere overflaten i kontakt med kjøleluften, er kanaler inkludert i stator- og rotorjernkjerret, samt feltspoler i generatoren. Disse kanalene kan være konfigurert i enten radiell eller aksial retning, avhengig av ønsket luftstrømningsmønster.

Radiell strømning kjølingssystem

Beskrivelse

I et radielt strømningskjølingssystem går kjøleluften inn i kanalene gjennom luftgappen i statoren og flyter radielt mot baksiden av statoren, der den etterpå fjernes.

Fordeler

• Lav energitap: Energi som kreves for ventilasjon er minimalisert, bidrar til total effektivitet.

• Versatilitet: Dette systemet kan brukes på både små og store maskiner, gjør det til et fleksibelt valg for ulike generatorstørrelser.

Begrensninger

Størrelse og kompakthet: Nærvaro av ventilasjonskanaler, som kan opptas omtrent 20% av armaturens lengde, gjør maskinen mindre kompakt.

Varmefjerning: Sammenlignet med andre kjølingssystemer, tilbyr radielt strømningsystemet relativt lavere varmefjerning. I noen tilfeller kan systemets stabilitet bli svekket på grunn av fluktuasjoner i volumet av kjøleluft som strømmer gjennom maskinen.

Aksial strømning kjølingssystem

Beskrivelse

I denne metoden presses luft til å strømme aksialt gjennom passasjer skapt av hull i stator og rotor.

Ytelse og begrensninger

Aksial strømning kjølingssystemet er svært effektivt, unntatt for maskiner med betydelig aksial lengde. En av de største ulemper er ujevn varmetransfer. Luftutgangsseksjonen av maskinen har tendens til å motta mindre kjøling fordi luften varmes opp mens den beveger seg gjennom aksielle kanaler.

Omkretsventilasjon

Beskrivelse

I omkretsventilasjon leveres luft ved ett eller flere punkter på ytre periferien av statorjernkjernen, og blir deretter tvinget til å strømme omkrent gjennom kanalene mellom lamineringene til bestemte utganger. Denne metoden tillater en økning i kanalareal.

Kombinasjoner og betraktinger

I visse tilfeller kombineres omkretsventilasjon med radielt strømningsystem. Imidlertid må det tas hensyn til for å unngå interferens mellom de to luftstrømmene. For å forebygge slik interferens, er de ytre flatene av de alternerende radielle kanalene typisk lukket.

Krav til kjøleluft

For effektiv kjøling må luften som brukes, være ren og fri for støv. Støvparter kan blokkere kanalene, reduserer deres tværseksjonale areal, og følgelig reduserer effektiviteten av varmefjerning ved konduksjon. For å sikre ren luft, brukes luftfiltre og ostekluter ofte. I noen situasjoner vaskes luften i et sprayrom. I tillegg kjøles luften i de fleste tilfeller av vannkjølere og gjenbrukes.

Begrensninger ved luftkjøling

Ustyr og kostnad: For maskiner med stor kapasitet, blir ventilatorene som trengs for å sirkulere luften, større og forbruker betydelige mengder energi. Dette krever bruk av hjelpestyr, som kan være dyrt.

Kapasitetsbegrensninger: Det finnes en optimal rating for maskiner, over hvilken luftkjøling ikke lenger er tilstrekkelig for å holde temperaturen innenfor trygge driftsgrenser.

Hydrogenkjøling av synkronmotorer

I et hydrogenkjølt system fungerer hydrogen gass som kjølemedium. En mer grundig utforskning av denne metoden kan finnes i artikkelen "Hydrogen Cooling of Synchronous Generator."

Direkte vannkjøling i synkronmotorer

Bruk

Hydrogenkjøling viser seg å være utilstrekkelig for å trekke varme fra store turbogeneratører med kapasiteter på 500 MW eller mer. Den store mengden hydrogen gass som kreves for slike maskiner, kan gjøre bruken økonomisk uaktuelt. I disse tilfellene benyttes direkte vannkjøling. I veldig store turbogeneratører kjøles rotorene ofte med hydrogen, mens statorspolingene kjøles med direkte demineralisert vann. Vannet sirkuleres ved hjelp av en AC-motor-drevet sentrifugalpumpe, og patronfiltre brukes for å fjerne urenheter. Disse filtrene er spesielt designet for å forhindre at metalliske korrosive partikler generert i spolingene og rør, kommer inn i tomme lederne i spolingene.

Fordeler sammenlignet med hydrogenkjøling

• Effektivitet: Vannkjølte systemer er raskere og mer effektive på grunn av vannets høyere termisk ledningskapasitet sammenlignet med hydrogen.

• Romoptimalisering: Det mindre kanalareal som kreves for vann, tillater mer plass til å akkommodere ledere i gleder, optimerer designet av generator.

Ulemper

• Rensing krav: Vannet som brukes for kjøling, må være sterkt rent for å unngå økt ledningskapasitet, som kan føre til elektriske problemer.

• Kostnad: Vannkjøling er generelt mer kostbart enn hydrogenkjøling, gjør det til et dyrere valg for generator kjøling.

Samlet sett involverer kjølingen av synkronmotorer en rekke metoder, hver med sine egne sett av fordeler og begrensninger. Valg av riktig kjølemetode avhenger av faktorer som generatorens størrelse, kapasitet og driftskrav.