水轮发电机讲义

水轮发电机目录水轮发电机的发展水轮发电机的结构水轮发电机的原理水轮发电机的运行水轮龙滩发电机的特点世界第一座水电站于1878年建于法国。美洲第一座水电站于1882年建在美国威斯康星州，采用直流发电机。1889年后,开始使用三相交流发电机。此后,单机容量增长很快，1890年仅1.5万kW,至1955年已能生产10.5万kW的发电机。一、水轮发电机的发展中国在1949年以前自制的水轮发电机单机容量不超过200kW,1949年以后电机工业获得了蓬勃的发展，1958年已能生产7.25万kW单机，1972年已制造出30万kW双水内冷水轮发电机。目前位于世界前列的大容量水轮发电机为大古力水电站、伊泰普水电站、三峡水电站、溪洛渡水电站、龙滩水电站等已经超过700MW，而今年建成的向家坝水电站已经达到800MW。同时单机1000MW的水轮发电机组也已经开始设计。一、水轮发电机的发展水轮发电机结构形式：按布置方式的不同水轮发电机可分卧式和立式两种。按推力轴承位置的不同来分,立式发电机又分为悬式和伞式两种。推力轴承位于装置上方的发电机称为悬式发电机，它适用于转速在100r/min以上。其优点是推力轴承耗损小，装配方便，运转较稳定；缺点是机组高度较大，消费钢材较多。二、水轮发电机结构水轮发电机结构形式：按布置方式的不同水轮发电机可分卧式和立式两种。二、水轮发电机结构水轮发电机结构形式：按推力轴承位置的不同来分,立式发电机又分为悬式和伞式两种。推力轴承位于装置上方的发电机称为悬式发电机，它适用于转速在100r/min以上。其优点是推力轴承耗损小，装配方便，运转较稳定；缺点是机组高度较大，消费钢材较多。二、水轮发电机结构悬式发电机上下支撑下导与风闸下导轴承定子外壳悬式水轮发电机组二、水轮发电机结构推力轴承位于转子的下方的发电机称为伞式发电机，无上导的称为全伞式，有上导的称为半伞式，它适用于转速在150r/min以下。其优点是机组高度低、可降低厂房高度、节省钢材；缺点是推力轴承损耗大、安装、检修、维护都不方便。二、水轮发电机结构传力方式：机组转动部分重量→推力头→镜板→推力轴瓦→下机架→机座→基础上机架：只支撑上导轴承和励磁机定子。类型：1.普通伞式：有上、下导轴承2.半伞式:有上导轴承，无下导轴承3.全伞式:无上导轴承，有下导轴承高压油膜普通伞式有上、下导轴承二、水轮发电机结构半伞式有上导，无下导。发电机通常将上机架埋入发电机层地板以下。二、水轮发电机结构全伞式无上导，有下导。转动部分重量→推力轴承支撑结构→顶盖→座环二、水轮发电机结构主要由定子、转子、机架、推力轴承、导轴承、冷却器、制动器等部件组成。水轮发电机的特点:凸极式转子，极数多，直径大，轴向长度短，整个转子在外形上与汽轮发电机大不相同。定子铁心由扇形电工钢片拼装叠成。为了散热的需要，定子铁心中留有径向通风沟。转子磁极由厚度为1～2mm的钢片叠成；磁极两端有磁极压板，用来压紧磁极冲片和固定磁极绕组。磁极与磁极轭部采用T形或鸽尾形连接。二、水轮发电机结构发电机的组成定子：水轮发电机的静止部件,主要由机座、铁芯和三相绕组线圈（线棒）、铜环引线（汇流排）等组成。–铁芯固定在机座上。–三相绕组线圈嵌装在铁芯的齿槽内。–发电机定子机座、铁芯和三相绕组统一体统称为发电机的定子，也称为电枢。二、水轮发电机结构立轴水轮发电机定子结构机座铁心线圈二、水轮发电机结构机座功能：–用于固定铁芯。–定子机座具有足够钢性和强度，应能承受：上机架、上导轴承和推力轴承、机组所有转动部分等的重量以及水轮机水推力等总和的轴向力。定子绕组短路时产生的切向力和半数转子绕组短路时产生的不平衡磁拉力。各种运行工况下所受的热膨胀力、额定工况产生的切向力及定子铁芯通过定位筋传来的100Hz交变力等。叠加在上述工况下的震动力。–构成冷却气体的通道结构：由轧制钢板焊接而成。为便于现场组装，分瓣机座应在工厂内进行预组装，并配有钻好螺栓孔的工艺法兰和销钉。二、水轮发电机结构铁芯–定子定子铁芯是是发电机磁路的主要组成部分，并用以固定线棒。结构：定子冲片、通风槽片、定位筋、齿压板、拉紧螺杆。–定子铁芯的作用是：作为磁路的主要组成部分，为发电机提供磁阻很小的磁路，以通过发电机所需要的磁通，并用以固定绕组。–组成材料：定子冲片：由0.5mm或0.35mm厚的高质量、高导磁率、低损耗、无时效、优质冷轧薄硅钢片叠成；每片扇形片冲压成形后，应去毛刺、磨光，并在两侧涂“F”级绝缘漆。通风槽片：0.5mm~0.75mm厚的扇形片作为底板，点焊通风槽钢定位筋：由方钢加工而成，呈鸽尾形，将扇形冲片固定在定子机座上齿压板：齿压条通过拉紧螺杆轴向拉紧冲片。二、水轮发电机结构硅钢片二、水轮发电机结构绕组–三相绕组由绝缘导线绕制而成，均匀地分布于铁芯内圆齿槽中。–三相绕组接成Y形，它的作用是当转子磁极旋转时，定子绕组切割磁力线而感应出电势。定子线棒–功能：通过一定的联结方式形成电流通路，通过铜环引线汇流后输出电功率。–分类：条式波绕阻和叠式框绕阻。二、水轮发电机结构定子线棒透视图二、水轮发电机结构定子机座二、水轮发电机结构定子铁芯二、水轮发电机结构二、水轮发电机结构定子叠片加固二、水轮发电机结构转子–功能：发电机的转动部件，用以产生磁场、变换能量和传递力矩。–结构：转子中心体、转子支架：铸焊结构并经过超声波探伤；转子中心体与上、下端轴连接，传递来自水轮机的力矩。应保持良好的通风及导风性能。–磁轭：构成发电机的磁路，是固定磁极的重要部件；由高强度的冷轧薄钢板（磁轭冲片）分层叠片组装，通过立筋、复合键与转子支架相连；磁轭分层叠片并拉紧，通过通风风沟设计以保持良好的通风性能。–转子引线–制动系统二、水轮发电机结构二、水轮发电机结构转子立轴水轮发电机转子结构二、水轮发电机结构磁极–磁极是提供励磁磁场的磁感应部件，由磁极铁芯，线圈，上、下托板，极身绝缘，阻尼绕组及钢垫板等零部件组成。–磁极铁芯分实心和叠片两种结构。–中、小容量高转速水轮发电机的转子，常采用实心磁极结构，整体锻造或铸造而成。转速大于或等于750r／min的小型水轮发电机，常采用磁极铁芯连同转子的磁轭与主轴整体锻造加工。–磁极固定方式通常采用螺钉、T尾和鸽尾结构。二、水轮发电机结构二、水轮发电机结构磁轭与转子支架–磁轭的作用是构成磁路并固定磁极。–转子支架的作用是固定磁轭。–对于定子铁芯外径小于325cm的中小容量的水轮发电机，磁轭可用铸钢或整圆的厚钢板制造，不需要专门的转子支架。–对于定子铁芯外径较大的水轮发电机，磁轭通过转子支架和主轴连成一体。–磁轭的外缘加工有T尾、鹇尾槽或螺孔，用以固定磁极。二、水轮发电机结构二、水轮发电机结构二、水轮发电机结构机架–机架是立轴水轮发电机安置推力轴承、导轴承、制动器及水轮机受油器的支撑部件，是水轮发电机较为重要的结构件。–机架由中心体和支臂组成，一般采用钢板焊接结构，中心体为圆盘形式，支臂大多为工字梁形式。–机架按其所处的位置分为上、下机架，按承载性质分为负荷机架和非负荷机架。二、水轮发电机结构主轴–主轴的作用是用来传递扭矩，应具有一定的强度和刚度。–主轴一般由35号、40号、45号或20SiMn等钢整锻而成。–小容量水轮发电机一般采用整锻实心轴，也有的采用无缝钢管作为轴；大、中型容量的发电机采用整锻空心轴。二、水轮发电机结构集电装置–功能：将来自励磁系统的电流传导给水轮发电机转子绕组建立磁场。–结构：电刷、刷架、集电环–位置：•集电装置固定在发电机上端轴上电刷与刷架固定，集电环随上端轴转动。•集电环与转子引线相连，向转子磁极线圈提供电流。二、水轮发电机结构推力轴承下机架下导轴承转子定子下端轴上端轴上导轴承集电环上机架混流式水轮机：发电机部分结构图二、水轮发电机结构概念：什么是有功？什么是无功？三、水轮发电机的原理有功功率:在交流电路中，电源在一个周期内发出瞬时功率的平均值(或负载电阻所消耗的功率)，称为有功功率。无功功率:在具有电感或电容的电路中，在每半个周期内，把电源能量变成磁场(或电场)能量贮存起来，然后，再释放，又把贮存的磁场（或电场）能量再返回给电源，只是进行这种能量的交换，并没有真正消耗能量，我们把这个交换的功率值，称为无功功率有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率，也就是将电能转换为其他形式能量(机械能、光能、热能)的电功率。比如：1千瓦的电动机就是把1千瓦的电能转换为机械能，带动水泵抽水；各种照明设备将电能转换为光能，供人们生活和工作照明。有功功率的符号用P表示，单位有瓦(W)、千瓦(kW)、兆瓦(MW)三、水轮发电机的原理无功功率比较抽象，它是用于电路内电场与磁场的交换，并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。它不对外作功，而是转变为其他形式的能量。凡是有电磁线圈的电气设备，要建立磁场，就要消耗无功功率。比如40瓦的日光灯，除需40多瓦有功功率(镇流器也需消耗一部分有功功率)来发光外，还需80乏左右的无功功率供镇流器的线圈建立交变磁场用。由于它不对外做功，才被称之为“无功”。无功功率的符号用Q表示，单位为乏(Var)或千乏(kVar）三、水轮发电机的原理无功功率决不是无用功率，它的用处很大。电动机需要建立和维持旋转磁场，使转子转动，从而带动机械运动，电动机的转子磁场就是靠从电源取得无功功率建立的。变压器也同样需要无功功率，才能使变压器的一次线圈产生磁场，在二次线圈感应出电压。因此，没有无功功率，电动机就不会转动，变压器也不能变压，交流接触器不会吸合。例子：米与米袋。三、水轮发电机的原理无功的类型：感性无功：从物理概念来解释感性无功功率；由于电感线圈是贮藏磁场能量的元件，当电感线圈加上交流电压之后，相应磁场能量也随着变化，当电压增大，电压及磁场能量也就相应加强，此时线圈的磁场就将电源供给的能量以磁场能量形式贮藏起来；当电流减小和磁场能量减弱时，线圈把磁场能量释放并输回到电源中。三、水轮发电机的原理无功的类型：容性无功：由于电容器是储存电场能量的元件，当电容器加上交流电压后，电压交变时，响应的电场能量也随着变化。当电压增大，电流及电场能量也就相应加强，此时电容器的电场能量就将外电源供给的能量以电场能量形式储藏起来；当电压减小和电场能量减弱时，电容器把电场能量释放并输回到外面电路中。交流电容电路不消耗功率，电路中仅是电源能量与电场能量之间的往复转换。三、水轮发电机的原理无功的类型：容性无功：由于电容器是储存电场能量的元件，当电容器加上交流电压后，电压交变时，响应的电场能量也随着变化。当电压增大，电流及电场能量也就相应加强，此时电容器的电场能量就将外电源供给的能量以电场能量形式储藏起来；当电压减小和电场能量减弱时，电容器把电场能量释放并输回到外面电路中。交流电容电路不消耗功率，电路中仅是电源能量与电场能量之间的往复转换。三、水轮发电机的原理交流发电机的原理：•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。三、水轮发电机的原理三相交流凸极同步电机定子铁芯定子线圈定、转子间空气隙磁极铁芯磁极线圈转子磁轭定子转子三、水轮发电机的原理磁轭冲片磁极冲片三、水轮发电机的原理磁极线圈三、水轮发电机的原理阻尼绕组三、水轮发电机的原理磁极三、水轮发电机的原理转子产生磁场转子：–2p个磁极–磁路转速和频率：–从定子侧看，磁场的变化频率为f–那么每分钟机械转速n为：pfn60NNNNSSSS三、水轮发电机的原理U1U2U时间t12定子线圈磁极60pnf电压的产生定子线圈–转子旋转时，从定子线