עקרון ותהליך של טורבינה הידראולית בתחנת כוח הידרואלקטרית

שטפו את טורבינת המים באנרגיה פוטנציאלית או באנרגיה קינטית, וטורבינת המים מתחילה להסתובב. אם נחבר את הגנרטור לטורבינת המים, הגנרטור יוכל להתחיל לייצר חשמל. אם נעלה את מפלס המים כדי לשטוף את הטורבינה, מהירות הטורבינה תגדל. לכן, ככל שהפרש מפלס המים גדול יותר, כך האנרגיה הקינטית המתקבלת על ידי הטורבינה גדולה יותר, וכך האנרגיה החשמלית המרה גבוהה יותר. זהו העיקרון הבסיסי של אנרגיה הידרואלקטרית.

תהליך המרת האנרגיה הוא: האנרגיה הפוטנציאלית הכבידתית של המים במעלה הזרם מומרת לאנרגיה קינטית של זרימת המים. כאשר המים זורמים דרך הטורבינה, האנרגיה הקינטית מועברת לטורבינה, והטורבינה מניעה את הגנרטור כדי להפוך את האנרגיה הקינטית לאנרגיה חשמלית. לכן, זהו תהליך של המרת אנרגיה מכנית לאנרגיה חשמלית.

בשל תנאים טבעיים שונים של תחנות כוח הידרואלקטריות, הקיבולת והמהירות של יחידות גנרטור הידרואלקטריות משתנות במידה רבה. באופן כללי, גנרטורים הידרואלקטריים קטנים וגנרטורים הידרואלקטריים במהירות גבוהה המונעים על ידי טורבינות אימפולס מאמצים לרוב מבנים אופקיים, בעוד שגנרטורים גדולים ובינוניים מאמצים לרוב מבנים אנכיים. מכיוון שרוב תחנות הכוח ההידרואלקטריות רחוקות מערים, הן בדרך כלל צריכות לספק חשמל לעומסים דרך קווי תמסורת ארוכים, לכן, מערכת החשמל מציבה דרישות גבוהות יותר ליציבות הפעולה של גנרטורים הידרואלקטריים: יש לבחור בקפידה את פרמטרי המנוע; הדרישות למומנט האינרציה של הרוטור הן גדולות. לכן, מראהו של גנרטור הידרואלקטרי שונה מזה של גנרטור טורבינת קיטור. קוטר הרוטור שלו גדול ואורכו קצר. הזמן הנדרש להפעלה וחיבור לרשת של יחידות גנרטור הידרואלקטריות קצר יחסית, וניתוח הפעולה גמיש. בנוסף לייצור חשמל כללי, הוא מתאים במיוחד ליחידות גילוח שיא ויחידות חירום. הקיבולת המקסימלית של יחידות גנרטור טורבינות מים הגיעה ל-700,000 קילוואט.

באשר לעקרון הגנרטור, פיזיקה בתיכון ברורה מאוד, ועקרון הפעולה שלו מבוסס על חוק האינדוקציה האלקטרומגנטית וחוק הכוח האלקטרומגנטי. לכן, העיקרון הכללי של בנייתו הוא שימוש במוליכות מגנטית ובחומרים מוליכים מתאימים כדי ליצור מעגל מגנטי ומעגל לאינדוקציה אלקטרומגנטית הדדית כדי לייצר כוח אלקטרומגנטי ולהשיג את מטרת המרת האנרגיה.

גנרטור טורבינת המים מונע על ידי טורבינת המים. הרוטור שלו קצר ועבה, הזמן הנדרש להפעלת היחידה ולחיבור לרשת קצר, וניתוח הפעולה גמיש. בנוסף לייצור חשמל כללי, הוא מתאים במיוחד ליחידות גילוח שיא ויחידות חירום. הקיבולת המקסימלית של יחידות גנרטור טורבינות מים הגיעה ל-800,000 קילוואט.

גנרטור הדיזל מונע על ידי מנוע בעירה פנימית. הוא מהיר להתנעה וקל לתפעול, אך עלות ייצור החשמל שלו גבוהה. הוא משמש בעיקר כגיבוי חירום, או באזורים שבהם רשת החשמל הגדולה אינה מגיעה לתחנות כוח ניידות. ההספק נע בין כמה קילוואט לכמה קילוואט. תפוקת המומנט על ציר מנוע הדיזל נתונה לפעימות תקופתיות, ולכן יש למנוע תאונות תהודה ושבירה של הציר.

מהירות גנרטור ההידרואלקטרי תקבע את תדירות הזרם החילופין הנוצר. כדי להבטיח את יציבות תדר זה, יש לייצב את מהירות הרוטור. על מנת לייצב את המהירות, ניתן לשלוט על מהירות המנוע הראשי (טורבינת מים) במצב בקרה בלולאה סגורה. אות התדר של זרם החילופין הנשלח נדגם ומוזן חזרה למערכת הבקרה השולטת בזווית הפתיחה והסגירה של שבשבת ההנחיה של טורבינת המים כדי לשלוט בהספק המוצא של טורבינת המים. באמצעות עקרון בקרת המשוב, ניתן לייצב את מהירות הגנרטור.