04 电动发电机

1、可逆式电动发电机可逆式电动发电机 1、双向旋转 电气上要求电源相序能够转换，通过电气 主接线和开关设备的选择实现； 电机本身要求通风冷却和轴承都能适应双 向工作。 2、频繁起停 起停更为频繁，同时还经常作调频、调相运行，工况的调 整也很频繁。 蓄能机组要求能迅速增减负荷，大型机组要求有每秒钟变 动I0MW负荷的能力。从空载到满负荷以及从抽水直接转 换到发电运行，也都要求在很短时间内完成。 电动发电机内部温度变化十分剧烈，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而 影响绝缘。 抽水蓄能机组在工况转换过程中要经历各种复杂的水力、 机械和电气瞬态过程； 将发生比常规水轮发

2、电机组大得多的受力和振动，对于整 个电机设计都提出更严格的要求。 3、定子机架 电动发电机的运行条件恶劣，温度变化剧烈而频繁，为加 强定子的整体性，增大定子刚度，近来常采取在现场叠积 铁心和下线的工艺，实行无合缝装配。 传统的定子机架和上下轴 承机架的径向支撑结构(也 可能包括转子轮辐)可以由 斜向支撑代替，斜向支撑 与径向的角度可以达到30 度。 当支撑受温度变形时，就 使定子或轴承座沿圆周方 向扭转而少产生径向移动， 从而避免影响这些部件的 同心度及其变形。 4、转动部分 抽水蓄能机组的电机转子为适应高转速的要求(额定转速 为500 /lmin的机组在飞逸时转速可能达到725 r/min)

3、 ,应该 结构紧凑，在满足转动惯量的条件下具有最小的尺寸。 电动发电机的每个部件都应能承受在各种负荷条件下的离 心力、电磁力和热作用力。为保证机组的耐用性，要用最 不利的工况组合来检验每一部件的疲劳寿命。 确定常规水轮发电机尺寸所用的静态应力设计方法对于电 动发电机已大部分不能活用了，在机组起动一、工况转换 和电气短路或同步失败等剧烈变化情况所带来的机械应力、 热作用力和电磁负载都将是更难满足的条件。 5、电机制造难度 电机电磁设计和机械设计组合 电机难度系数=(视在功率x飞逸转速)x10-4 式中，视在功率单位MVA(兆伏安)，飞逸转速单位r/min 推力轴承的承载能力和转速的组合 推力轴承

4、难度系数=(轴承负荷x转速) x10-3 式中，轴承负荷单位t，转速单位r/min 6、推力轴承 可逆式电动发电机因为运行条件变化特别频繁，推力轴承 (包括导轴承)的设计也要求比常规发电机更为严格，如正 常运行温度要低一些(如小于70摄氏度)，以使在特殊情况 时温升不致过高(例如飞逸时可达到80-90摄氏度)。 推力轴承的设计应能在无冷却水供应状况下保持运行一定 时间(例如15min ) ，并且在无制动停机时轴承保持不受损 伤。 7、轴瓦 “热冲击” 发电电动机轴承设计的主要技术问题在于高负荷和高转速，同 时机组起动频萦并且负荷变化迅速，在短时间内推力变化很大，造 成轴瓦温度快速变化的“热冲击

5、”。 油压顶起推力轴承油压顶起推力轴承 多数蓄能机组的推力轴承都装有高压油顶起装置。在起停过程中， 高压油从轴瓦的中心孔射出将转子顶起，使在推力头的镜面板与 轴瓦之间形成油膜，运行正常后高压油自动停止。 双层推力轴瓦双层推力轴瓦 轴瓦厚度较小(约5Omm，放在厚实的底板上，瓦面可能用铜材 制成，上镶一薄层巴氏合金。底板的上表面开有多道圆周方向的 冷却油槽。 弹簧支承式推力轴承弹簧支承式推力轴承 推力轴承的轴瓦放在一簇螺旋形压缩弹簧上，利用弹簧变形来 吸收不均匀负荷。这种支撑没有偏心，在两个旋转方向都能形成 很好的油膜。 直接水冷推力轴承直接水冷推力轴承 在轴瓦的合金层间嵌铸冷却水管或在瓦体内加

6、工出冷却水道。 机组运行时，通人冷却水对滑动面的油膜进行冷却。 水冷推力轴承需要一套监控系统，保持瓦面润滑油和冷却水之 间的温差恒定，以免因有温差过大而造成轴瓦变形。 电磁推力轴承电磁推力轴承 在推力轴承支架上装设一组环状励磁线圈，通以直流电，利用 向上的磁拉力减少轴承的轴向推力，因而允许使用普通的推力轴 承就能满足工作要求。 金属塑料瓦推力轴承金属塑料瓦推力轴承 在水轮发电机组上已有不少应用。 钢与氟塑料的摩擦因数小，只有0.05-0.08（一般钨金瓦为0.15- 0.20）；由于摩擦因数小，起动时没有热冲击，极有利于蓄能机 组 的频繁起动；可以在不完全润滑条件下较长时间工作，因而允许在 低

7、转速下安全运转；轴瓦的单位负荷可达7. 2MPa（一般轴瓦在4- 5MPa 以下）；在每年起停350-400次情况下，轴承寿命可达20年。 8、冷却系统 磁轭径向通风和强制通风冷却磁轭径向通风和强制通风冷却 电动发电机或利用转子本身的扇风作用，或靠做成适当形状的 转子支臂和磁轭来起扇风作用，将冷空气从转子两端吸人，沿转 子磁轭的通风槽在离心力的作用下通过磁极的空间来冷却励磁绕 组和定子线圈及铁心，热空气经定子外部冷却器冷却后循环流通。 也有的电机使用外设电动风扇强制通风冷却。由风扇进入的冷 空气流，从转子磁轭的通风道径向进人磁极线圈与磁极铁心之间 的空隙，直接冷却磁极线圈的内侧面，并从极靴上的

8、气孔逸出而 进人定子通风沟，最后返回空气冷却器。 直接水冷却直接水冷却 将电机绕组做成空心的，使冷却水从中通过将热量带走。 如果定子绕组使用水冷而转子绕组仍为风冷称为半水内冷；如 果定子和转子绕组都为水冷则称为全水内冷，或双水内冷。 水电机组多数场合只使用半水内冷，即只用水冷却定子绕组。 蒸发冷却蒸发冷却 采用氟里昂或其他沸点低的特种液体作为内冷介质，利用其蒸 发热带走电机绕组热量，保持绕组温度在低温沸点附近，蒸发后 的气体再经水冷却后回复为液态返回循环。 由于介质绝缘，少量渗漏不会影响电机的安全运行，故能提高 电机的可用率。 9、可变转速电动发电机 如果抽水蓄能电站的工作水头变化幅度很大，或

9、蓄能机组 有特殊运行要求，可使用变转速电机以改善水泵水轮机的性能。 换极式变转速电机换极式变转速电机 工作原理：在机组停止时改变转子磁极的数目，即通过换极开 关切除一个或几个磁极并改变其他磁极的磁性，同时改变定子线 圈组间的联接。磁极数目减少后，电机的同步转速将增高。 为达到同样的转速变更，可以有若干种换极方式。 以由6个磁极变换成5个磁极为例说明三种不同的换极方法。 （1）只用正常磁极 由低转速变为高转速时切除原有磁极的一个，使6个磁极的间距 内只有5个极在工作。但下一组的磁极要依此改变磁性。 以由6个磁极变换成5个磁极为例说明三种不同的换极方法。 （2）用5个大极和2个小极 在6个磁极的间

10、距内放置5个大极和2个小极。低转速时两个小极 合并为1个大极，相当6个大极；高转速时2个小极分别换成与相邻的 大极同样的极性，从而形成了5个磁极。 以由6个磁极变换成5个磁极为例说明三种不同的换极方法。 （3）用3个大极和6个小极 在6个磁极的间距内放置3个大极和6个小极。低转速时每2个小 极拼成1个大极，高转速时6个小极中的2个被切除，另2个更换极性， 也形成5个磁极。 （4）小结 虽然第一种方法最简便，但换极后的磁通分布最不匀；第二种 方法结构较复杂，但磁通分布有改善；第三种方法结构最复杂，最 终的磁通分布最均匀。上述换极方法只适用于所需高、低两个转速 相差不很大的情况，一般为1.2:1以

11、下。 用换极结构的双转速电机的缺点是磁通利用率低，而且不同转速 时电压相差很大，不容易弥补。为转换磁极还需增设换极开关及很 多辅助设备，成本比单转速电机要高很多。 总的看来，使用双转速电机的技术困难较多，造价昂贵，故实 际应用并不广泛。现代纯抽水蓄能电站趋向利用高水头，其水头变 化幅度相对较小，使用单转速电机已可以基本满足要求。在抽水蓄 能电站设计上避免使用双转速电机也是其趋向于使用高水头的理由 之一。 可调式变转速电机可调式变转速电机 变转速驱动是水力机械最理想的调节方式，由于同步发电机和 同步电动机的转速是随电网交流电网频率(在我国为50Hz)而固定 的，大量的水轮机和水泵都因转速不能改变

12、而在性能上受到限制。 近年来由于在电工技术及电机制造技术上的进步，使巨型电机 的可调无级变速已成为可能，为提高水力机械性能提供了极为优 越的条件，这是水力机械应用上的一大突破。 使用可调转速电机以后，可以有效地延伸水轮机和水泵的工作 范围，扩大最优效率区域，同时可改善偏离高效率区的水流条件， 减轻水力振动。 （1）控制定子回路的变速系统 在定子输出线路上装设变频装置(变流器及逆变器)，称为定子变 频方式。 发电时变频装置将机组不同转速下产生的频率转换为50Hz，抽 水时将50Hz的电源转换为机组不同转速下所需的频率，通常采用交 流一直流一交流变频系统。 这种变转速系统可以实现10%转速的变化范

13、围，但变频器的容量 需要很大，因为它需要与主电机的容量相当，所以用定子变频方式 来调节主电机的全部工作范围是不经济的。 在抽水蓄能电站中通常只用容量较小的变频器来起动空载的电 动机，当转子达到同步转速时将变频器切除，很少在正常抽水时用 来调节转速。 （2）控制转子回路的变速系统 交流励磁装置将励磁频率变换成正负几个赫兹而形成一个可变 频率和方向的交流磁场。定子外界磁场频率保持在50Hz不变，由于 转子磁场频率的改变，或为正或为负，因之转子的机械磁场频率(与 水泵水轮机转速成正比)可以有一定幅度的变化。 这种变速系统的优点是变频设备的容量只为主电机容量的1/5左右。 实用的变速范围一般不超出正负

14、10%，但由于水力机械的水头(扬程)与 转速成平方关系，功率与转速成立方关系，故用这样的速度控制方法 可形成水力性能相当大幅度的变化。 日本日立公司和关西电力公司共同研制的大型交流励磁变速电机1993年 在大河内抽水蓄能电站投人运行。这个电站有2台单速电动发电机(P=330MW, H=395m, n=360r/min)，另两台为变速电机，容量也是330MW。发电时转速 变化范围为360-330r/min，作水泵运行时转速变化为330-390r/min。 10、电动发电机工况起动方式 为使电动发电机作电动机运行时起动电流不致过大，并对电网 不产生过大扰动，必须采用专门的电气设备及操作方法。 同轴

15、电动机起动同轴电动机起动 用一台专用的电动机装在主电机的顶上，直接与主轴联接，用 以起动主机。同轴电动机是一台小容量绕线式感应电动机，比主 机一般少一对或几对磁极，相应的同步转速比主机高一些。 起动电动机的容量约为主机的6-8%。 同轴起动电动机还可以做停机时的电气制动设备，在无水时还 可以将主机转起来以检查机械部分的情况。 异步起动异步起动 异步起动是在机组励磁绕组短接情况下，直接将电动发电机并 人电网，利用转子磁极上阻尼绕组所产生的异步力矩使机组起动 并加速，在接近同步转速时加上励磁拉入同步。 （1）全电压启动 全电压起动的优点是力矩很大，起动时间短(约30s)、接线简单。 缺点是电动发电

16、机的起动电流大，约为额定电流的2-4倍；在起动瞬 间使电网受到较大的冲击，产生明显的电压降；同时起动过程中阻 尼绕组还将产生较大的发热和热应力。为此可以采用阻尼绕组水内 冷及整体转子极。 全电压起动方法只能应用于中小型蓄能机组，但是其主要决定 因素还是电网容量，即电网能承受多大的电压降。 （2）降压启动 利用降低电源电压将机组起动，在转速接近额定转速时改成全 电压，然后投入励磁拉入同步。 降压起动比全电压起动对电网的冲击减小了，但起动力矩也将 降低，起动时间则要长些。 （3）部分绕组启动 如果电动发电机的定子绕组是作成分段多支的，起动时可以只 使用其中部分绕组，以减小起动电流，起动完成后再接人

17、其他部分 的绕组。 （4）同步（背靠背）起动 同步起动是用本电站或相邻电站的一台常规发电机组或蓄能机 组做发电机运行来起动其他蓄能机组抽水。 开机前将被起动机组(电动机)与起动机组(发电机)在电气上联接， 并分别加上励磁；将转动起来的发电机产生的低频电源直接加在电 动机定子上，电动机在同步转矩作用下跟随发电机逐步升速；发电 机组的水泵水轮机导叶缓慢开启，发电机转速上升，电动机也随之 同步升速；转速达到同步转速的80%时，投入各自的励磁调节器，然 后以准同期方式并人电网，再逐步解除发电机，完成起动过程。 起动发电机的容量应不小于被起动电动机容量的15 -20%，起动 时间为2-4min。 电站的

18、最后一台机组不能用此法起动，还需装置其他方式的起 动设备。 （5）半同步启动 由一台发电运行机组(发电机)先与被起动机组(电动机)在电气上 联接。在不加励磁状态下起动发电机，到转速为额定转速的80%时加 励磁，发电机产生大约60-70%的额定电压。该电压施加到电动机上 能产生异步转矩，使之起动加速，而发电机因消耗了能量而转速下 降。当两台电机的转速接近时给电动机加励磁，并使之与发电机同 步。电动机在发电机的驱动下同步加速到额定转速。 （5）半同步启动 作半同步起动的发电机容量要大于电动机容量的80%，起动时间 为3-5min。 最后一台机组也不能自行起动。 （6）变频启动 利用可控硅变频器产生频率可变的交流电源对电动发电机进行起 动。 静止变频器包括两组可控硅，其中一组用于整流，一组用于逆变。 通过永磁机及位置传感器输出转速信号及位置信号，由变频器控制装 置调整可控硅的导通角，改变励磁电流，用此来进行转速和整流控制。 变频起动的设备容量一般为被起动电机的5-8%，起动时间5-10min。 在新建的大型蓄能电站中很多都采用这一方式。 （7）各种启动方式的比较 中、小机组应优先考虑采用全电压异步或降压异步起动；大、中容量机 组应优先考虑利用邻近常规机组进行同步起动；大容量机组台数不多时可采 用同轴