发电电动机的结构与原理

发电电动机的结构与原理发电电动机的结构与原理•一、绪论•二、同步电机的结构•三、同步电机的原理与参数•四、溧阳电站发电电动机简介一、绪论•抽水蓄能电站作为一种特殊的电源，由于具有转换工况多、运行方式灵活、反应速度快等优点，近年来在国内得到相当规模的发展。作为蓄能电站核心设备的抽水蓄能机组，无论设计条件和结构都比常规水轮发电机组复杂的多，下面就其中的发电电动机的基本知识做一下介绍。二、同步电机的结构•发电电动机是既可以作发电机使用，又可作为电动机使用的电机设备，主要用于抽水蓄电能电站。主要型式为同步电机。1、同步电机概述•当导体经过一对磁极，导体中的感应电动势就变化了一个周波，若转子极对数为P，转子旋转一周，导体感应电动势就变化了P个周波，设转子转速为n，则感应电动势的频率为：f=pn/60。•显然，转子的转速与气隙磁场的旋转速度相等，所以称之为同步电机。•隐极式同步电机NSNS+•凸极式同步电机NSNS+凸极式•同步电机的定子和异步电机相同，定子铁芯上有齿和槽，槽内设置三相绕组。转子上装有磁极和励磁绕组。当励磁绕组通以直流后，电机内就产生转子磁场。同步电机也有采用永久磁铁励磁的，称为永磁同步电机。同步电机的磁极通常装在转子上，而电枢绕组放在定子上，通常称为旋转磁极式电机。因为电枢绕组往往是高电压、大电流的绕组，装在定子上便于直接向外引出；而励磁绕组的电流较小，放在转子上可以通过装在转轴上的集电环和电刷引入，比较方便。•在小容量或特殊用途同步电机中也有相反的情况：把磁极放在定子上，而电枢绕组放在转子上，通常称为旋转电枢式电机。例如同步电机的交流励磁机，其电枢绕组放在转子上，电流经过装在转子轴上的旋转整流器整流后，直接为同步电机转子上的励磁线圈提供直流励磁电流，构成无刷系统。•旋转磁极式同步电机的转子有隐极和凸极两种机构型式。隐极电机的气隙均匀，转子成圆柱形。凸机电机的气隙不均匀，极弧下较小，而极间较大。对于高速的同步电机（3000r/min）,从转子机械强度和妥善地固定励磁绕组考虑，采用励磁绕组分布于转子表面槽内的隐极式结构较为可靠。对于低速电机（1000r/min及以下），由于转子的圆周速度较低、离心力较小，故采用制造简单、励磁绕组集中安放的凸极式结构较为合理。2、同步电机的构造•同步电机的定子主要由定子铁芯、定子绕组、机座、端盖、轴承等部件组成。•同步机的机座与端盖也称为电机外部壳体，起着固定电机、保护内部构件以及支撑定子绕组和铁芯的作用。•定子铁芯是电机的主要部件，它起着构成主磁路和固定定子绕组的重要作用。•定子绕组又称电枢绕组，是同步电机进行能量转换的心脏部位。•定子•同步发电机的定子主要由定子铁芯、定子绕组、机座、端盖、轴承等部件组成。•发电机的机座与端盖也称为电机外部壳体，起着固定电机、保护内部构件以及支撑定子绕组和铁芯的作用。•定子铁芯是电机的主要部件，它起着构成主磁路和固定定子绕组的重要作用。•定子绕组又称电枢绕组，是发电机进行能量转换的心脏部位。•转子•转子的作用是传递原动机供给的机械转矩，支撑旋转的励磁线圈，形成良好的磁通路径和转子散热通道。•转子：转子铁芯、励磁绕组、护环、中心环和阻尼绕组等组成。•推力轴承推力轴承装在转子上边的上机架上，整个转子是以一种悬吊状态转动推力轴承装在转子下边的机架上，整个转子是以一种被托架着的状态转动悬式伞式1－推力轴承2－导轴承悬式伞式•冷却系统•在中、小型电机中，都采用空气作为冷却介质。当电机的容量很大时，电机内部的损耗及发热量迅速增加，冷却问题显得格外重要，此时必须加强通风或采用其他的冷却方式。•在大型汽轮发电机中，为了提高其冷却效率，往往用氢气冷却，但氢气与空气混合后，有爆炸危险，必须有一套控制设备来保证外界空气不会渗入到电机内部。•目前在更大容量的发电机中，可以采用导线内部直接冷却。例如采用空心导体，冷却介质直接在导体中流通而把热量带走，这样能更有效地降低电机的温升。所采用的冷却介质一般有氢气及水等。3、发电电动机的结构•发电电动机的结构方式和常规水轮发电机是相近的。早期使用的卧式蓄能机组配有横轴的发电电动机，有名的一个实例是1964年在卢生堡投产的维也丹（Vianden）卧式蓄能机组，其最大功率为115MVA。但近年的抽水蓄能机组更多地使用立式结构。•立式电机按推力轴承的位置可分为悬式和伞式两大类。推力轴承装在转子上方的称为悬式；装在转子下方的称为伞式；如转子上方还有一个导轴承的称为半伞式，如无此轴承的称为全伞式。现在抽水蓄能机组对于额定转速高于400~500r/min的多用悬式结构而低于此转速的多用半伞式或全伞式结构。•伞式机组的推力轴承可连同下导轴承装在电机的下机架上；另外为减小机组高度，也有的推力轴承装在水泵水轮机顶盖上。从机构高度来看，悬式机组最大，半伞式其次，全伞式最小。悬式电机的总高度虽然最大，但其稳定性较好，推力轴承处于电机的顶部，此处轴已不传递任何扭矩，故轴径可比主轴径小些，这样可以减少轴承能量损耗。三、同步电机的参数与原理•1、同步电机的主要参数•同步电机的额定值（铭牌值）有以下几种：•额定功率因数cosφ—指额定运行时电机的功率因数•额定频率fN（Hz）—指额定运行时电枢的频率•额定转速nN（r/min）—指额定运行时电机的转速，即为同步转速•额定值之间的关系：3cosNNNNPUI•2、同步电机的工作原理•主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。•载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。•切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。•交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。四、溧阳电站发电电动机简介•抽水蓄能和放水发电两个过程：•抽水蓄能：系统负荷低时，利用系统多余的电能带动泵站机组将下库的水抽到上库(电动机+水泵)，以水的势能形式贮存起来；•放水发电：系统负荷高时，将上库的水放下来推动水轮发电机组(水轮机+发电机)发电，以补充系统中电能的不足。•抽水蓄能发电电动机的特点•1.双向旋转•发电电动机主要用于抽水蓄能电站。由于可逆式水泵水轮机作水轮机和水泵运行时旋转方向是相反的，因此电动机也需相应地双向运转。为了实现同步电机双向运转，在电气上要求电源相序能够转换，这在电气主接线和开关设备的选择上可以实现；电机本身如何作双向旋转则要求通风冷却和轴承都能适应双向工作。•2.频繁起停•抽水蓄能电站在电力系统中起填谷调峰的作用，要求起停较为频繁，同时还需经常作调频、调相运行，工况的调整也很频繁。发电电动机处于这样频繁变化的运行条件下，其内部温度变化自然十分剧烈，电机绕组将产生更大的温度应力和变形，也可能由于温度差在电机内部结露面影响绝缘。•3.需有专门起动措施•由于转向相反，发电电动机运行时不能像作发电机那样利用水泵水轮机起动，必须采用专门的起动方法。目前绝大部分抽水蓄能电站采用SFC起动，back-to-back作为备用起动方式。•4.过渡过程复杂•抽水蓄能机组在工况转换中要经历各种复杂水力、机械和电气瞬态过程。在这些过程中将发生比常规水轮发电机组大得多的受力和振动，对于整个电机设计提出更严格的要求。•溧阳电站发电电动机•1、型式•发电电动机为三相、立轴、半伞式(具有上、下导轴承)、密闭循环空冷、可逆式同步电机。•2、供货范围6台套发电电动机及其附属设备，每台套包括：•1)定子(包括基础部件及预埋件)•2)转子•3)集电装置(包括集电环、电刷、刷握、护罩及必须的维护梯等)•4)主轴和上端轴•5)推力轴承及上、下导轴承(包括排油雾装置和轴电流保护装置)•6)上、下机架(包括基础部件及预埋件)•7)上盖板及其连接和固定用的螺栓和螺母•8)下盖板及其连接和固定用的螺栓和螺母•9)冷却系统(包括发电电动机冷却系统和轴承油槽冷却系统)•10)润滑系统(包括高压油顶起装置)•11)制动停机系统、转子顶起装置与粉尘收集系统•12)灭火系统(包括监测装置)•13)加热器及除湿装置•14)仪表和监测系统•15)机组顶部运行信号灯•16)风洞内照明设备，梯子、栏栅(杆)及保护用金属遮栏•17)各附属系统所需附件和基础件及预埋件等•18)起吊定子和转子用的起吊工具和附件（除平衡梁外）•19)其它1.发电机基础2.定子装配3.转子装配4.上机架5.上导轴承装配6.下机架7.推力及下导轴承装配8.主轴9.顶轴10.制动系统11.空气冷却装置12.灭火装置13.上盖板装配14.主中引出线装配15.集电环装配16.刷杆架装配17.顶罩•3、额定值•a)额定容量/功率：•发电工况(电气输出)277.8MV（电气输出）•电动工况(轴输出功率)268.56MW（轴输出）•b)额定电压15.75kV•电压调整范围±7%•c)额定功率因数•发电工况0.9(滞后)•电动工况0.975(吸收有功，发送感性无功)•d)额定频率50Hz•e)额定转速300r/min•f)相数3•g)绝缘等级F级电动机的绝缘等级是指其所用绝缘材料的耐热等级，分A、E、B、F、H级。允许温升是指电动机的温度与周围环境温度相比升高的限度。绝缘的温度等级A级E级B级F级H级最高允许温度（℃）105120130155180绕组温升限值（K）607580100125性能参考温度（℃）8095100120145•4、主要参数及结构型式的选择依据•水泵水轮机-发电电动机主要参数及结构型式的选择，既要考虑到当前水泵水轮机-发电电动机以向大容量、高水头、高比速方向发展的趋势，又要结合我国目前机组制造行业的实际水平；及关系到电站投资和经济效益，又影响到机组运行的安全稳定。水泵水轮机-发电电动机主要参数及结构型式的选择的基本思路是保证机组安全稳定运行的前提下，结合当前可逆式机组的发展趋势，适当提高其参数水平，选择合理的机构型式，以降低电站投资。序号电站名称发电电动机容量（MVA）/电动机出力（MVA）额定电压功率因素（发电机/电动机）额定转速/飞逸转速（r/min）1广蓄一期333/33418+-7.5%0.9/0.95500/7252广蓄二期333/33418+-7.5%0.9/0.95500/7253天荒坪333/33618+-5%0.9/0.975500/7204十三陵222/21813.8+-5%0.9/1500/7255桐柏334/33618+-5%0.9/0.975300/-6宜兴278/27515.75+-7.5%0.9/0.98375/5627白莲河334/32515.75+-6.5%0.9/0.975250/4308泰安278/27415.75+-6%0.9/0.975300/4609琅琊山167/16415.75+-7.5%0.9/1230.8/35810张河湾250/15.750.9/0.975333.33/11溧阳277.8/268.5615.75+-7%0.9/0.975300/450谢谢大家！