Turbogenerátorem se označuje spojené zařízení turbíny (modrá) a elektrického generátoru (oranžový), umístěné na společné hřídeli.
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.
Turbogenerátorem se označuje spojené zařízení turbíny (modrá) a elektrického generátoru (oranžový), umístěné na společné hřídeli.
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 neužitečné a nevyužitelné teplo.
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.
Kontakty komutátoru elektrického dynama se systémem sběrných kartáčů
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.
Na kresbě malého dynama z 19. století jsou dobře vidět cívky elektromagnetů i komutátor s uhlíkovými sběrnými kartáči.
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.
Obrovský elektrický generátor střídavého proudu zaujal studenty na exkurzi v Jaderné elektrárně Temelín.
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.
Statorové vinutí energetického generátoru je chlazeno vodou protékající trubkovitým vinutím.
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.
Generátory v uhelných elektrárnách jsou dlouhé několik metrů a většinou se otáčejí rychlostí 3 000 ot./min.
Statorové vinutí kolem hladkého rotoru výkonového generátoru v uhelné elektrárně
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.
Pomocný budič vyrábí stejnosměrný proud pro napájení elektromagnetů hlavního alternátoru.
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.
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.
Zasouvání hladkého rotoru do statoru generátoru při celkové revizi elektrického generátoru
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.
Pohled na rozebraný elektrický generátor při odstraněném rotoru a celé budicí soustavy
Velkému výkonu odpovídá i vyšší výstupní napětí alternátoru 24 kV. Při tomto napětí dosahuje nominální proud až 27 kA.