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  发电机基本结构、原理、特 性及参数 资料收集及制作者:张曦 2014年3月 1、发电机原理结构 1.1 工作原理 交流旋转电机主要分为同步电机和异步电机。同步电机主要用作发电机 ,而异步电机主要用作电动机。所谓同步电机即指电机的转速为同步转速( 恒定值),而异步电机即指电机的转速不同于同步转速(非恒定值)。 发电机主要有定子和转子两部分,定、转子之间有气隙,原理如图1-1 所示。 原动机拖动发电机沿反时针方向恒速旋转,则磁极的磁力线将切割定子绕组的导体。 由电磁感应定理可知,在定子导体中就会感应出交变电势。定子上有AX、BY、CZ 三 相绕组,它们在空间上彼此相差120°电角度,每相绕组的匝数相等。转子磁极(主 极)上装有励磁绕组,由直流励磁,其磁通方向从转子N 极出来,经过气隙、定子铁 芯、气隙,再进入转子S 极而构成回路,如图中的虚线 同步发电机工作原理示意图 1.2 发电机本体结构 1.2.1 发电机基本构成 汽轮发电机主要由定子、转子、端盖和轴承等部件组成,如图1-2: 图1-2 300MW发电机本体结构 1.2.2 发电机冷却方式 发电机的发热部件,主要是定子绕组、定子铁芯(磁滞与涡流损耗)和转子绕组。必须采用 高效的冷却措施,使这些部件所发出的热量散发除去,以使发电机各部分温度不超过允许值。 我公司发电机采用水-氢-氢冷却方式,即发电机定子绕组及引线是水内冷,发电机的转子 绕组是氢内冷,转子本体及定子铁芯是氢冷。为此,发电机还设有定子水冷系统,发电机氢冷系 统和为防止氢气从轴封漏出的密封油系统。 1.2.3 发电机定子 发电机定子主要由机座、定子铁芯、定子绕组、端盖等部分组成。 1)机座与端盖 机座是用钢板焊成的壳体结构,它的作用主要是支持和固定定子铁芯和定子绕组。此外,机 座可以防止氢气泄漏和承受住氢气的爆炸力。在机壳和定子铁芯之间的空间是发电机通风(氢气) 系统的一部分。由于发电机定子采用径向通风,将机壳和铁芯背部之间的空间沿轴向分隔成若干 段,每段形成一个环形小风室,各小风室相互交替分为进风区和出风区。这些小室用管子相互连 通,并能交替进行通风。氢气交替地通过铁芯的外侧和内侧,再集中起来通过冷却器,从而有效 地防止热应力和局部过热。端盖是发电机密封的一个组成部分,为了安装、检修、拆装方便,端 盖由水平分开的上下两半构成,并设有端盖轴承。在端盖的合缝面上还设有密封沟,沟内充以密 封胶以保证良好的气密。 轴瓦采用椭圆式水平中分面结构,轴瓦外圆的球面形状保证了轴承有自调心的作用。在转轴 穿过端盖处的氢气密封是依靠油密封的油膜来保证。密封瓦为铜合金制成,内圆与轴间有间隙, 装在端盖内圆处的密封座内。密封瓦分成四块,在径向和轴向均有卡紧弹簧箍紧,百家了7囗公式尽管密封瓦在 径向可以随轴一起浮动,但在密封座上下均有销子可以防止它切向转动。密封油经密封座和密封 瓦的油腔流入瓦和轴之间的间隙沿径向形成油膜 以防止氢气外泄,在励端油密封设有双层对地绝缘以防止轴电流烧伤转轴。 2)机座隔振——定子弹性支撑为了减小由于转子磁通对定子铁芯的磁拉力引起的双频振动,以 及短路等其它因数引起的定子铁芯振动对机座和基础的影响,在定子铁芯和机座之间采用卧式弹 性隔振结构。在定位筋的背部装弹簧板,弹簧板通过垫块,百家了7囗公式。用螺栓固定在定位筋的背部,弹簧板 中部与机座内的隔板相连,构成弹性隔振结构。 3)定子铁芯 定子铁芯是构成发电机磁路和固定定子绕组的重要部件。为了减少铁芯的磁滞和涡流 损耗,定子铁芯采用导磁率高、损耗小、厚度为0.5mm 的优质冷轧硅钢片冲制而成。 每层硅钢片由数张扇形片组成一个圆形,每张扇形片都涂了耐高温的无机绝缘漆。冲 片上冲有嵌放线圈的下线槽及放置槽楔用的鸽尾槽。扇形冲片利用定子定位筋定位,通过 球墨铸铁压圈施压,夹紧成一个刚性圆柱形铁芯,用定位筋固定在内机座上。齿部是通过 压圈内侧的非磁性压指来压紧。边段铁芯涂有粘接漆,在铁芯装压后加热,使其粘接成一 个牢固的整体,进一步提高铁芯的刚度。为了减少端部漏磁通在压圈和边段铁芯中引起的 发热以及在边段铁芯中的附加电气损耗,在压圈上装有全铜屏蔽;端部铁芯为阶梯状以增 加铁芯内园与转子之间的气隙;并在齿上冲有小槽。 4)定子绕组 定子绕组的端部结构如图1-2,它是由嵌入铁芯槽内的绝缘线棒在端部联结成的线圈 ,绕组端部为篮式结构,并且由引线环连接成固定的相带。采用连续式F 级环氧粉云母绝 缘系统,表面有防晕处理措施。轴向可沿支架滑销方向自由移动,减少由于负荷或工况变 化而在定子绕组和支撑系统中引起的应力,满足机组调峰运行的要求。 在负载运行条件下,定子绕组会产生自感应涡流损耗,为减少这种损耗,定子线棒 采用了罗贝尔换位形式。所谓换位,就是在线棒编织时,让每根线棒沿轴向长度,分别处 于槽内不同高度的位置,这样每根线棒的漏电抗相等,使每根导体内电流均匀,减少直线 及端部的横向漏磁通在各股导体内产生的环流及附加损耗。定子线棒由矩形的空心和实心 股线混合编织而成,定子绕组就是通过空心股线中的水介质来冷却的。定子线棒端部的所 有股线均焊接到水电接头上,通过铜带将两根线棒 水电接头焊在一起形成电气连接,构成一匝线圈;而所有空心股线中的冷却水通过水电接 头的水路接至靠滑环端的汇流母管,并经绝缘引水管进入线圈。在发电机的集电环端设有 一条进水母管;在汽机端部设有一条出水母管。冷却水流通道为单向型,即从集电环端流 向汽机端。汇流母管是直接接地的,从线圈到汇流母管间的连接是采用单个加强型绝缘管, 这种绝缘管设计上能够受发电机的运行电压,这就保证了线圈的对地绝缘。但对于这种结 构,测量线圈绝缘却是不方便的。 1.2.4 发电机转子 1)转子本体 发电机转子是由一根整体合金钢锻件加工而成,在转子本体上径向地开有许多纵向槽 用于安装转子绕组,同时作为磁路。转子绕组在槽内由铝合金和钢槽楔紧固以抵御离心力。 这种磁性和非磁性两种槽楔的应用能够保证合理的磁通分布。这些槽楔均楔入了转子槽口 处的鸽尾槽内。转子大齿上加工横向槽(即月牙槽),用于均衡大、小齿方向的刚度,以 避免由于它们之间的较大差异而产生倍频振动。 2)转子绕组 转子绕组由高强度含银铜线制成,具有较高的抗蠕变能力,从而提高了发电机承担调 峰负荷的能力。为防止由于离心力的作用,对转子绕组端部产生破坏,转子线圈放入槽内 后,槽口用铝合金槽楔和钢槽楔固紧,以抵御转子高速旋转产生的离心力。非磁性槽楔和 磁性槽楔的应用,保证了合理的磁通分布。采用了高强度、非磁性合金钢锻件加工而成的 护环,热套在转子本体两端,采用悬挂式嵌装,一端与转子本体热套配合,另一端为悬挂 式。转子绕组与护环之间采用模压的绝缘环绝缘。为了隔开和支撑端部线圈,限制它们之 间由于温差和离心力引起的位移,端部绕组间隔块放置了模压的环氧玻璃布绝缘块。 转子槽衬用含云母、玻璃纤维等材料的复合绝缘压制而成,具有良好的绝缘性能和机 械性能。槽衬内表面和端部护环绝缘内表面涂有低摩擦系数的干性滑移剂,使转子铜线在 负荷及工况变化引起热胀冷缩时可沿轴向自由收缩,以满足发电机调峰运行的要求。 3)转子引线和集电环 通过转子引线与集电环以及电刷装置,可以给发电机提供额定出力及强励时所需的 励磁电流。转子电流通过电刷通入热套在转子外伸端的集电环,再通过与集电环相联接 的径向和轴向导电螺杆传到转子绕组。导电螺杆用高强度和高导电率的铜合金制成。导 电螺杆与转轴之间有密封结构以防漏氢。 集电环用耐磨合金钢制成,是一对带沟槽的钢环,经绝缘后热套在转子轴上的。在集 电环与转轴之间设有绝缘套筒。集电环上加工有轴向和径向通风孔。表面的螺旋沟可以改 善电刷与集电环的接触状况,使电刷之间的电流分配均匀。两集电环间设有同轴离心式风 扇以冷却集电环和电刷。 4)护环、中心环、阻尼环 因为转子旋转时,转子线圈端部受到很大的离心力的作用,为了防止对转子线圈端部的破坏, 采用了非磁性、高强度合金钢(Mn18Cr18)锻件加工而成的护环来保护转子线圈端部。护环分别装 配在转子本体两端,与本体端热套配合,另一端热套在悬挂的中心环上。转子线圈与护环之间采用 模压的绝缘环绝缘。为了隔开和支撑端部线圈,限制它们之间由于温差和离心力引起的位移,端部 线圈间放置了模压的环氧玻璃布绝缘块。 中心环对护环起着与转轴同心的作用,当转子旋转时,轴的挠度不会使护环受到交变应力作用 而损伤。中心环还有防止转子线圈端部轴向位移的作用。为减少由于不平衡负荷产生的负序电流在 转子上引起的发热,提高发电机承受不平衡负荷(负序电流和异步运行)的能力,采用了半阻尼绕 组,在转子本体两端(护环下)设有阻尼绕组。该半阻尼绕组只在转子两端装梳齿状的用紫铜板制 成的阻尼环,其梳齿伸进每个槽及大齿上阻尼槽的槽楔下,由槽楔压紧。阻尼电流通路是由护环、 槽楔、阻尼铜条形成的阻尼系统。 5)碳刷 碳刷是将励磁电流投入高速旋转的转子绕组的关键部件。为了能在发电机运行时安全、迅速地更换 电刷,采用了盒式刷握结构。每次可换一组(4 个)电刷。通入转子励磁电流的电刷是由天然石磨 材料粘结制成。碳刷具有低的摩擦系数和自润滑作用。每个碳刷带有两柔性的铜引线(即刷辫)。 采用恒压式弹簧径向地装在刷盒上,从而在电刷长度达到磨损极限之前没必要调整弹簧压力。弹簧 的压力施加在碳刷中心线上,弹簧是一种螺旋式的,压力是恒定的。刷架采用左右分瓣把合结构, 由导电环、刷座及风罩等部件组成,对地绝缘,具体结构如图1-3所示。 图1-3 发电机碳刷 6)励磁系统(我公司自并励系统图) 发电机定子 发发电电机机转转子子 碳刷滑环 发 电 机 出 励磁变 线 起励电源 调节装置 2.发电机设备规范及特性 项目 型号 额定容量 额定有功 额定无功 功率因数 定子电压 参数 QFSN—300—2 353MVA 300 MW 186MVar 0.85(滞后) 20kV 定子电流 频率 效率 接线方式 短路比 绝缘等级 50Hz 98.8% Y--Y 0.6 B 总损耗 3400kW 短路比 0.6 转子绕组铜耗() 721kW 机械损耗 707kW 总损耗 3400kW 项目 极数 空载励磁电流 空载励磁电压() 满载励磁电流 满载励磁电压() 定子线圈直流电阻 定子线圈对地电容 转子线圈直流电阻 转子线圈自感 一阶临界转速 二阶临界转速 励磁方式 制造厂 定子铁耗 定子绕组铜耗(): 杂散损耗 直轴同步电抗 参数 2 113V 302V 0.00212 Ω/相 0.209 μ F /相 0.0923Ω 0.857H 870rpm 2380rpm 自并励 上海电机 厂 435kW 816kW 538kW 186% 3.发电机冷却系统技术规范 项目 参数 项目 参数 冷却方式 水—氢—氢 冷氢最高温度 48℃ 内冷水流量 55m3/h 冷氢最低温度 40℃ 内冷水压力 0.15 ~ 冷氢温度报警值 <40℃,>50℃ 0.20MPa 内冷水进水温度 45~50℃ 氢冷却器冷却水流量 440m3/h 内冷水出水最高 85℃ 温度 内冷水出水温升 31℃ 氢冷却器进水最高温 35℃ 度 定子绕组温度 ≯90℃ 额定氢压 0.31MPa 定子铁芯温升 ≯74℃ 氢气纯度 96%以上 转子的平均温升 ≯64℃ 冷氢期望温度 46℃ 谢谢!