发电机基本构造与冷却

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1、发电机基本知识及辅助系统,讲课人: 汤齐,电机的基本知识,电机的重要性：现在我们的生活离不开电机 电机的本质：能量转换的设备 机械能电能 电机的基本理论 1、法拉第一楞次定律（感应电动势定律） e=BLv 2、毕奥-萨伐尔定律（电磁力定律）F=IBL 所有电机都是根据这两个定律的基本原理设计的,电机内部能量转换,电机实现能量交换条件,电机要进行能量交换必须要具备有相对运动的两个部分，一个是产生磁场的磁感应部件，另一个是感应电动势和流过工作电流的被感应部件 为了要相对运动，任何一个旋转电机来说必须有一个定子部件，固定住一套绕组和磁路部分，另外还要必须有一个转动部件，支承住另一套绕组和磁路部分,电

2、机基本组成部分,定子,定子。是输入电功率，产生磁场的静止部件。对交流电机来说，在通常结构型式下，定子磁场是旋转的；对直流电机来说，定子磁场是静止的。定子通常是由机座固定在底板上(对大型电机)或基础上（对中、小型电机）。,转子,转子。是产生一个与定子磁场相对运动的磁场，轴上输出机械功率的重压部件，其上各部件往往要承受较大机械应力和电磁力，转子通常是依靠转轴支撑在轴承上。,轴承装置,是使转子能以所需方式旋转，而能保持定、转子相对位置的主要结构。中小型电机一般采用滚动轴承，固定在电动机两侧端盖上；大型电机一般采用滑动轴承，用轴承座固定在底板或端盖上。是电机的重要组成部位。也是容易损坏的部位。,电机底

3、座,单台的中、小电机没有底板，定、转子、机座、端盖装配为一个整体，依靠与机座为一体的底脚板直接固定到基础上。 大型电机定子、轴承座、端罩都装到一个有足够刚度的基础板底板上，使电机成为一个整体。,附属结构,1、集电环与换向器：是构成旋转部分导电的滑动接触的结构 2、接线盒：可靠固定输入电能的各种导体端子，并使之与机座可靠绝缘的部件 3、冷却系统：对电机进行冷却，主要由风扇和冷却器组成 4、支撑系统：此部分主要以端盖为主，并起一定的防护作用。 5、附件：主要是电机保护系统，如电机风扇罩，对轮保护罩，电气保护系统。,电机的主要类型,工作方式分类：发电机、电动机、转换机和调相机 电流种类来分类： 直流

4、和交流。交流又分为同步电机和异步电机。 励磁方式分类：自励、他励、幷励、复励 但使用最广的、最具代表性有四种电机 同步发电机、同步电动机、异步电动机、直流电动机,不同类型电动机原理上的区别,不同种类的电动机，是由建立磁场方式不同而区分的 1、直流电机：电动机两个磁场分别由直流励磁产生 2、同步电动机：一个磁场由直流励磁产生，一个由交流电流产生 3、异步电动机：两个磁场分别由不同频率的交流电流产生,同步发电机,同步发电机是当今社会主要动力电源，是现代电力工业中，无论是火电、水电、核电、风电全部采用同步发电机，为了适应电力工业发展的需要，降低运行成本和提高发电效率，目前同步发电机发展趋势是提高单机

5、容量和电压等级。目前汽轮发电机的最大单机容量已达1500MW，水轮发电机的单机容量已达700MW,额定电压已达20KV以上。,电机定子外形图,发电机转子,发电机主要部件图,发电机结构示意图,发电机定子机座,对定子机座主要从以下三个方面介绍 机座的分类: 发电机定子机组分为三段式结构和整体式结构 机座的材料: 优质中厚钢板和锅炉钢 机座的作用: 支撑和固定铁芯等部件和形成风路。针有对氢冷机组还要一定防爆能力,定子机组,铁芯背部连接示意图,发电机定子铁芯,对定子铁芯主要从以下三个方面介绍 定子铁芯的材料：无取向优质冷轧硅钢 片 定子铁芯的组成：硅钢片冲压成扇型后迭压 定子铁芯的作用：构成磁路，并是

6、固定定子绕组的骨架,铁芯端部屏蔽结构示意图,发电机的定子绕组,发电机的定子绕组是发电机的主要部件，是发电机产生感应电势和电磁转距，实现机电能量转换的关键部件同时也是发电机最容易损坏部位 发电机定子绕组是由根线棒按照一定规律排列而形成旋转磁场,线圈绕组,定子线圈水电接头,空心导线与实心导线,线圈固定的结构件,在发电机的运行时，因高速旋转和线圈内部的大电流，线圈将承受很多的力，尤其是线圈的端部，这些力将导致线圈产生位移、振动。从而使线圈损坏，造成发电机损坏的事故。 发电机端部的固定，在发电机的设计、生产以及检修的过程中都是重点。,发电机端部固定示意图,端部结构示意图,发电机定子端部图,上海30万发

7、电机线圈槽内固定图,转轴,发电机的转轴由高机械性能和导磁性能好的合金钢锻造而成. 转轴有中心孔以便检查锻件的质量并安装励磁引线的导电杆用 在转轴圆周对称开有嵌线槽,未开嵌线槽的部分为大齿.大齿沿轴向开有横向月牙槽,平衡大齿和小齿的刚度. 因转子冷却方式不同，转子结构也有一定区别，如副槽冷却转子，在嵌线槽下面沿轴向开具有一定斜度的通风槽。,发电机转轴,转子绕组,发电机转子绕组为同心式绕组，每极有几个线圈串联，两极 之间也是串联。 风斗冷却发电机转子绕组线圈由含银硬铜线组成，槽内最底匝线圈的下半匝铜线截面呈U字形。在槽内部分的每根扁铜上，铣出两排方向不同的斜向通风孔，其位置按不同的方向错开，以形成

8、斜流风道。,转子绕组,副槽通风发电机转子 匝由上下两根含银铜线组成，在转子本体长度范围内为实心铜线，铜线沿宽度方向有两排腰圆行通风孔；端部全长为加工成矩形槽的铜排 ，当两根相对地对拼在一起时，就在中间形成一个矩形通风风道；在线圈直线与端部转角相互连接处附近侧面开有进风孔，在近磁极中心处的铜排侧面开有出风孔。,正在下线的发电机发电机转子,正在下线的发电机发电机转子,转子线圈直线部,转子线圈端部,转子端部,二期发电机转子端部结构图,转子引线图,转子护环、中心环和风扇,发电机采用悬挂式护环-中心环结构。护环用于箍紧转子本体两端的绕组端部，不使转子高速旋转时由于离心力的作用而移动。因中心环内圆与转子轴

9、不接触，故通常称为悬挂式护环。护环采用对应力腐蚀不敏感的18Mn18Cr高强度反磁性钢制成,中心环为优质合金钢锻件. 发电机采用单级螺桨式风扇。扇叶片由高强度铝合金制成扇叶用螺母把合固定在风扇座环上，风扇座环热套固定在转轴上,转子,集电环,集电环和刷架、碳刷是将外界的直流电引进转子励磁绕组。 集电环是套在转子轴上，和转子一起旋转的两只金属圆柱体，与轴之间用玻璃丝层压板圆桶相互绝缘起来。 集电环材质的选用和热处理的好坏对机组的安全运行很重要，现在何种材料好还没有明确的结论 集电环滑动表面开有螺纹沟，一是左螺纹、一是右螺纹，便于碳刷与滑环摩擦所产生的粉末沿螺纹方向排出。,集电环,基本结构总结,以上

10、我们从作用、材料对发电机的主要部件进行了大体的了解。但发电机内部结构是十分复杂的。同时为提高发电机的经济性能，就必须使单机容量加大，增加单机容量主要依靠合理利用材料；改进电机结构和冷却技术。我们必须不断的学习，争取更多的了解发电机的结构，才能保证机组稳定运行，对异常做出正确的判断，对机组做必要的维修。,发电机的冷却系统,一、发电机冷却系统重要性； 二、发电机冷却系统的发展； 三 、氢气的特点； 四、发电机的一般风路； 五、20万KW发电机风路； 六、30万KW发电机风路； 七、定子内冷水的冷却方法,发电机的冷却系统重要性,电机设计的基本规律说明，单机容量越大，其经济性能越好，而单机容量增大，主

11、要依靠冷却技术的改进。所以对发电机的冷却系统单独提出来进行讨论。 发电机是一个能量转换的机械。在能量转换的过程中会产生损耗，这些损耗会以热能的方式表现出来。所以我们要对运行的发电机进行温度监视和控制,发电机冷却的发展,电机的诞生有100多年的历史，但是冷却技术的发展，还仅仅是30年的事。 空气冷却：30年代末期以前，汽轮发电机基本处于单一的空冷阶段。 氢冷却：1937年美国通用电气公司首先生产25MW的发电机，次年美国西屋公司生产50MW发电机，氢冷进入历史舞台,发电机冷却的历史,液（水）-氢冷：1956年，英国开始采用净化水冷却电机的定子绕组。目前，定子绕组直接用水进行冷却已很普遍。 双水内

12、冷：1958年，上海电机厂生产出第一台双水内冷汽轮发电机 全液（水）冷却：目前只是少数公司研制和生产 超导电机和蒸发冷却：今后的发展方向。,氢气的特点,氢气存在这些的缺点，为什么还是在许多气体冷却介质中选择氢气，这是因为氢气有其他气体无法比的5大优势 ： 一、氢气的热容量大 二、氢气的密度小 三、氢气的放热能力强 四、氢气本身对发电机定转子绕组的绝缘 有利 五、氢气本身不助燃，有利防火。,发电机要求的氢气指标,氢气纯度：提高氢气纯度主要原因是出于安全和经济。高纯度氢气不会引起爆炸，机内氢气纯度高损耗小，发电机效率高，节能。空冷发电机的损耗一般为额定容量的2.6%通风损耗占总损耗的35%-50%

13、，而氢冷使发电机效率提高0.8%-1.15% 氢气湿度：发电机内的氢气湿度高，将降低氢气纯度，导致通风损耗增加和降低效率，另外还会使铁心表面生锈，定转子受潮，绝缘电阻降低，并因此产生击穿闪络，造成事故。,发电机的一般风路,在介绍发电机结构的时候提到发电机转子上两侧的风扇形成对称的风路，将热氢气抽出，经过氢冷器降温为冷氢后进入发电机定转子各部位，形成一个封闭的冷热循环，达到冷却效果。那么氢气如何在发电机内部流动来冷却发电机？一般来说，发电机的风路分成四路,20万KW发电机风路；,20万发电机为哈尔滨电机厂生产，定子铁芯采用的冷却方式是四进五出. 20万发电机转子绕组气隙取气斜流式的冷却方式。冷却

14、转子的风路分成槽部风路和端部风路：,发电机定子铁芯风路示意图,20万KW发电机转子风路图,30万KW发电机风路；,30万发电机是上海电机厂制造，定子铁芯由汽、励两端进入后，由气隙返回。风扇将氢气抽出后经冷却器冷却出来的冷风分成两路 进行冷却定子 转子绕组为转子副槽径向式冷却方式,发电机冷却转子的风路也分成槽部风路和端部风路：,300MW转子风路图,气隙取气斜流式优点缺点,优点1、转子中的气体流量大约与转子体的长度成正比，并可提供尽量多的气体流量，从而使气体温升尽量降低 2、转子绕组温升均匀，最高温升育平均温升之比1.251.35之间 3、不必使用高压风扇 4、转子槽满率高 缺点：1、转子表面及

15、槽楔较复杂，金加工量大 2、线圈加工复杂 3、转子表面风磨损耗大 4、进入转子的气体已倍部分定子损耗所预热，而且在大多数情况下气隙中冷热气体混合，使进入转子气体也部分地被转子的损耗所预热，从而降低冷却效果。,转子副槽径向式 优缺点,优点：1、槽楔加工简单、铜线的冲制、定位简单 2、转子表面风磨损耗小 3、不需要高压风扇 4、转子的冷却气体直接来自风扇而不经过定子加热，冷却气体的温度低于气隙中的气体温度，冷却效果好 5、转子绕组温升均匀。最高温升育平均温升之比不大于1.25 缺点：1、因为转子本体要加工副槽，造成槽满率低，转子利用率低，励磁损耗较大 2、进风面积有限（取决于转子直径）冷却气体的流

16、量不可能于转子长度成比例,发电机气体冷却器,作用：发电机内部的氢气在冷却转子绕组、定子铁芯等部件后冷氢变成热氢，氢气冷却器将热氢变成冷氢 气体冷却器的几种类型：绕簧式、翅片式、挤压式、套片式,冷却器外形,内冷水的水质要求,电导率0.51.5us/cm（20度） PH值在7 9之间 硬度 2ug/L 含氧量 10ppm 交流泄漏电流密度1mA/cm2 直流泄漏电流密度0.75mA/cm2 水中无机械混合物 水速、水温和水中含氨量有一定量的控制,内冷水的冷却路线,发电机的内冷水两个冷却水路 定子绕组及定子绕组并联引线冷却水路 :励侧汇水管线圈的空心导线汽侧汇水管 主引线及定子出线冷却水路,发电机的监控系统,1、电流、电压监视系统：定子、转子的电压电流进行实时监测 2、温度监控系统：定子的风温、水温、线圈温度进行实时监测 3、绝缘监控系统：定转子线圈的绝缘进行监测,发电机的辅助系统,大型发电机一般的冷却方式都要采取水和氢的冷却介质。而如何保证此介质的安全运行，这就需要为发电机增加制氢系统，密封油系统，