发电机基础知识培训讲义

发电机基础知识发电机基础知识培训讲义培训讲义发电机技术处发电机技术处发电机技术处周华翔周华翔周华翔南京汽轮电机南京汽轮电机南京汽轮电机(((集团集团集团)))有限责任公司有限责任公司有限责任公司1.电机发展的历史2.发电机原理3发电机结构3.发电机结构4.发电机图纸和文件4.发电机图纸和文件5.发电机成套范围1电机发展的历史1.电机发展的历史在人类的科技发在人类的科技发展史中，对于电现象和磁现象很早就有认识了。但对于两者之识了但对于两者之间的联系，却直到183年前才发现。这183年前才发现。这个发现者的名字叫法拉第他是位英国拉第，他是一位英国物理学家。早在1821年，法拉第发现了载流早在1821年，法拉第发现了载流导体在磁场中会受到力的作用的现象，会1831年又发现了电磁感应定律，并很快就出现了原始模型电机。从此电机的研究和应用迅速发展起来，至今已有多年180多年。z电机发展的初期主要是直流电机z1869年法国电气工程师格拉姆发明了z1869年法国电气工程师格拉姆发明了第一台实用的直流发电机z1882年美国发明家爱迪生指挥建造了第一个用于商业中心的直流照明系第个用于商业中心的直流照明系z1883年塞尔维亚裔美国人特斯拉发明了第台两相感应电机了第一台两相感应电机z1888年俄国电气工程师多利沃-多勃鲁1888年俄国电气工程师多利沃多勃鲁夫斯基发明了三相感应电机。•1912年英国派生斯公司已能生产4极25MW汽轮发电机25MW汽轮发电机。•上世纪20年代美国和欧洲一些其他国家已能生产类似的汽轮发电机，其中德国西门子公司、匈牙利冈茨厂对发电机国西门子公司、匈牙利冈茨厂对发电机的通风冷却有较多的创新，为后来汽轮发电机冷却系统的发展奠定了基础发电机冷却系统的发展奠定了基础。•上世纪30年代许多欧美国家可以生产50~60MW的汽轮发电机。•20世纪30年代末以前，汽轮发电机基本处于单一的空气冷却阶段本处于单一的空气冷却阶段。•当容量超过50~60MW后，需要采取冷却效果更好的冷却方式•1937年美国通用电气公司开始生产•1937年，美国通用电气公司开始生产采用氢气冷却的2极25MW汽轮发电机，次年美国西屋公司生产了采用氢气冷却次年美国西屋公司生产了采用氢气冷却的2极50MW汽轮发电机。此后容量大于50MW的汽轮发电机逐步过渡到用氢气冷却。氢气冷却。•五十年代初，上海基地从捷克中压6~12MW火电设备制造技术，哈尔滨基地从前苏联引进中压6~25MW和高基地从前苏联引进中压625MW和高压25~50MW火电设备制造技术。1954年上海电机厂制成了国产第台•1954年上海电机厂制成了国产第一台汽轮发电机，容量为6MW。•1958年上海电机厂和哈尔滨电机厂相继制成了2极25MW汽轮发电机继制成了2极25MW汽轮发电机。•1958年10月上海电机厂试制成功世•1958年10月，上海电机厂试制成功世界上首台12MW双水内冷汽轮发电机•1959年、1969年、1971年上海电机厂又分别研制成50MW、125MW、厂又分别研制成50MW、125MW、300MW双水内冷汽轮发电机。哈尔滨电机厂1972年制造了200MW•哈尔滨电机厂1972年制造了200MW双水内冷汽轮发电机，北京重型电机厂制造了100MW双水内冷汽轮发电机。•到20世纪80年代中期我国自行研发•到20世纪80年代中期，我国自行研发的50~300MW双水内冷汽轮发电机产量曾经是国产发电机的50%左右量曾经是国产发电机的50%左右。•当今世界上汽轮发电机使用的冷却介质，按其冷却效果的递增次序分别是空气按其冷却效果的递增次序，分别是空气、氢气、水和超导技术。•研制低温超导发电机的工作正在蓬勃开展，这种技术显示有希望制造出更大单展，这种技术显示有希望制造出更大单机容量的发电机。随着冷却水平的提高发电机的结构变•随着冷却水平的提高，发电机的结构变得越来越复杂，需要越来越多的辅助装置和设备。空冷机组优点初级投资费用较少•初级投资费用较少•运行和维护比较容易运行和维护比较容易•大修所用的时间较短有较好的靠性与安全性•有较好的可靠性与安全性从机组整个运行时间考虑，尽管空从机组整个运行时间考虑，尽管空冷机组的效率稍低一点，但上述优点加在起使得空冷机组在大多数场合更为在一起使得空冷机组在大多数场合更为经济实惠。空冷机组现状空冷机组现状•20世纪六十年代，国际上容量不超过80MVA，我国的水平为30MVA•七十年代90MVA的空冷机组投入运行七十年代90MVA的空冷机组投入运行•八十年代200MVA的空冷机组交付使用随后又有300MVA的空冷机组问世随后又有300MVA的空冷机组问世•在这个时期，我国的空冷发电机单机容在这个时期，我国的空冷发电机单机容量也在飞速发展，75MVA、175MVA相继出厂投入商业运行175MVA相继出厂投入商业运行•进入新世纪后，更是有380MVA的空冷发电机交付给用户，投入运行我公司现状我们公司的发电机产品其冷却方式都•我们公司的发电机产品，其冷却方式都是以空气为基础的。在我才参加工作时生产的单机容为过生产的单机容量为25MW。通过引进英国BRUSH公司的空内冷技术，在公英公内冷术公司上下的努力，经过三十年的发展，而今的单机容量已达到350MW。这个容今的单机容量已达到350MW。这个容量目前在国内是采用空气作为冷却介质的最大单机容量在国际上也是屈指可的最大单机容量，在国际上也是屈指可数的。2.发电机原理•电机是转换能量形态的一种机械。发电机把机械能转换成电能，电动机把电能转化成机械能，变压器则把一种电压的电能转成机械能，变压器则把种电压的电能转化成另一种电压的电能。但无论是发电机，还是电动机或是变压器其工作原理都是还是电动机或是变压器，其工作原理都是相同的，都是建立在电磁感应定律、电磁力定律等基础定律之上的力定律等基础定律之上的。电磁感应定律2.1电磁感应定律•在实验一和实验二中，线圈回路中的磁场发生了变化在实验三中回路磁场发生了变化，在实验三中，回路中的磁场并没有变化，但回路面积发生了变化在这三种情况下有点生了变化。在这三种情况下，有一点是共同的：即穿过闭合导体回路的磁通量都发生了变化。•无论何种原因当通过回路面积的磁•无论何种原因，当通过回路面积的磁通量发生变化时，回路中就会产生感应电动势(感应电流)感应电动势的应电动势(感应电流)。感应电动势的大小与磁通量对时间的变化率成正比用公式表示为：ddφdtdwdtdeφψ−=−=设和线圈交链的磁通随时间按正弦规律变化，即dtdtSiφΦ则感应电势为tmSinωφΦ=则感应电势为：Φ−=−=ωωφtmCoswdwe⎞⎛dt⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=2πωtEmSin⎠⎝2上式表明，当磁通随时间按正弦规律变化时，线圈内的感应电势也随时间变化时，线圈内的感应电势也随时间按正弦规律变化，但在相位上电势滞后磁通90°，如下图所示。后磁通90，如下图所示。如果磁场是恒定的(即不随时间变化)如果磁场是恒定的(即不随时间变化)，则电磁感应公式：BlvdtdxBldtddtdwe==−=−=ψφdtdtdt2.2电磁力定律：•载流导体在磁场中会受到力的作用，这种力是磁场和电流相互作用产生的所以称之为是磁场和电流相互作用产生的，所以称之为电磁力。若磁场与导体互相垂直，则作用在导体上的作用力为导体上的作用力为：Blif=•在旋转电机中，作用在转子载流导体上的电磁力将使转子受到一个力矩，这个力矩称为磁力将使转子受到个力矩，这个力矩称为电磁力矩。2.3机电能量转换过程：2.3机电能量转换过程：在上图的电路中图中的导体就像是•在上图的电路中，图中的导体就像是一个发电装置。如果在电势e的作用下有电流流过将有电功率输有电流流过，将有电功率Pe输出：BlvieiPe==BlvieiPe==与此同时，电流一旦出现，磁场和电流就相互作用而产生电磁力f根据左手定就相互作用而产生电磁力f，根据左手定则，可知力的方向与导体运动的方向相反这就是说为了使导体能够继续恒反。这就是说，为了使导体能够继续恒速运动，必须外加一个大小与f相等，但方向相反的机械力来克服电磁力的作用方向相反的机械力来克服电磁力的作用。该机械力所作的功，就是由外界输入发电机的机械功率Pmec电机的机械功率Pmec：BlifPBlivfvPmec==•上面的例子，简要说明了发电机如何通过电磁感应和电磁力的作用把它通过电磁感应和电磁力的作用，把它获得的机械功率Pmec转换成电功率Pe输出，从而实现将机械能转换成电能的过程。•在这一过程中，磁场起了媒介作用。这个作用实际上是依靠电机中的气隙这个作用实际上是依靠电机中的气隙磁场来完成的。气隙磁场将电系统和机械系统联系在了起因此气隙磁机械系统联系在了一起，因此气隙磁场又称为耦合磁场。•耦合磁场对机械系统的作用通过电磁力矩表现出来。在发电机中电磁力矩对转子起制动作用，原动机必须克服制动性质的电磁力矩才能拖动发电机转动，从而将机械功率传输给发电机。•耦合磁场对电系统的作用通过感应电势表现出来，正因为有了感应电势，发电机才现出来，正因为有了感应电势，发电机才能向电系统输出电磁功率。3.发电机结构3.发电机结构3.1转子转子3.2定子3.3轴承3.4空气冷却器和风路发电机中的件3.5发电机中的测温元件电机的分类电机的分类•按相数：单相和多相多相电机中最常见的是三相交流电机•按转速：同步电机和异步电机交流电机绕组感应电势的频率与转速的关系式为：交流电机绕组感应电势的频率与转速的关系式为：60Pnf=其中极对数P对于一台已制成的电机来说是固定的因此电势频率f与转速之间有恒定的关系60的，因此电势频率f与转速n之间有恒定的关系，这种恒定关系就称为“同步”。转速极对数和频率的关系转速、极对数和频率的关系项目发电机永磁副励磁机交流主励磁机转速r/min300030003000极对数p183频率Hz50400150旋转方式磁场旋转磁场旋转电枢旋转•同步电机主要由相对运动(旋转)的电枢和磁场两部分组成可以做成磁极枢和磁场两部分组成，可以做成磁极固定而电枢旋转的同步电机，也可以做成电枢固定而磁场旋转的同步电机。为了易于引出电枢电流，一般都采用为了易于引出电枢电流，般都采用磁场旋转式的结构。在我们所应用的系统中发电机和永•在我们所应用的系统中，发电机和永磁机为磁场旋转式结构，而主励磁机为电枢旋转结构。•同步电机按照磁路的结构形式，可分为：凸极式隐极式感应式永磁式等凸极式、隐极式、感应式、永磁式等。发电机的磁路为隐极式，永磁机的磁路为永磁式主励磁机的磁路为凸极式为永磁式，主励磁机的磁路为凸极式。•转子和定子是发电机的两大主要部分组成；在结构上还必需配有端盖、轴承、励磁电刷装置空气冷却器加热器等励磁电刷装置、空气冷却器、加热器等部件；还有必要的油、水、线管路•对于完整的发电机组，还需配有励磁系统和励磁调节系统统和励磁调节系统•励磁方式：目前通常有无刷励磁和静态励磁方式：目前通常有无刷励磁和静态励磁两种。3.1转子•大容量两极发电机转子的表面圆周速度很高•大容量两极发电机转子的表面圆周速度很高，可高达170m/s左右。在这样的转速下，转子部件将受到很大的离心力，所以发电机转子一般都用整块的、具有良好导磁性能的合金钢锻造制成制成。•联轴器轴颈•本体护环(中心环)•轴颈•风扇•护环(中心环)•励磁机转子•风扇•励磁机转子•转子本体的外表为圆柱形，没有显露的磁极开有辐射状的下线槽；开槽部分约占极，开有辐射状的下线槽；开槽部分约占圆周的三分之二，另外三分之一是不开槽的，形成一对大磁，大磁中心线就是磁极的中心线的中心线。•下线槽内安放励磁绕下线槽内安放励磁绕组，励磁绕组为同心式绕组由多组线圈式绕组，由多组线圈组成。成•对一般表面冷却的转子绕组，其结构较为简单用扁铜线其结构较为简单，用扁铜线连续绕制，匝间垫包上绝缘即可；而对于内部冷却的转即可；而对于内部冷却的转子绕组，还要考虑特别的通风通道其制造过程则较为风通道，其制造过程则较为复杂。•内冷式转子绕组有两种方•内冷式转子绕组，有两种方式：一种是采用空心