丰城电厂660MW发电机组培训教材电气一次部分.docx
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1、第一篇 电气一次系统第一章 发电机、励磁系统及其运行第一节 汽轮发电机基本工作原理与结构1.1 同步电机的基本特点 同步电机的基本特点:同步电机转子的转速恒等于定子旋转磁场的同步转速,它和电网频率之间严格遵守下式的关系; (1-1-1)转子的转速(圈/分钟);定子旋转磁场的转速;转子的极对数;频率;同步电机即由此得名。我国工业频率规定为50Hz,而电机极对数户是整数,因此,对某一台同步电机其转速总为一固定值,例如:二极同步电机的转速为3000rmin,四极同步电机的转速为1500rmin,依此类推。同步电机主要用来作为产生三相交流电的发电机,现代工农业所用的交流电能几乎全由同步电机供给,所以同
2、步电机的作用和价值是极其重要的。同步电机和其他所有电机一样,从原理上讲也是可逆的,它不仅可以作为发电机运行,也可以作为电动机运行。同步电机的另一种特殊运行方式为同步调相机,或称同步补偿机,专门用来向电网发送送滞后无功功率,以改善电网的功率因数。1.2 同步电机的基本工作原理同步电机主要分定子和转子两部分。一般同步电机的定子(又称电枢)与异步电机的定子相同,在定子铁心内腔均匀冲槽,槽中嵌放对称三相绕组。同步电机的转子结构与异步电机转子完全不同,如图1-1所示,图中定子只画出d相的两个等效集中绕组。转子为凸极式。图1-1 同步电机结构原理图同步电机的转子由铁心和励磁绕组构成励磁绕组靠外接直流电源供
3、给励磁电流。当励磁绕组中流过直流电流后,产生磁极磁场或称为励磁磁场,原动机拖动转子旋转时,主磁场同转子一起旋转,就得到一个机械旋转磁场,该磁场对定子发生相对运动,在定子绕组中感应出三相对称的交流电势。由于定子三相对称绕组在空间相差120电角度,因此三相电势也在时间上相差120电角度,分别用表示则 (1-1-2)为定子绕组中最大电势; 如果同步发电机接上负载,就有三相电流流过,这时同步发电机将机械能转换为电能。接入电网的同步发电机,在一定条件下也可作电动机运行,这时同步电动机便将电旋转变为机械能。1.3 同步电机的构造特点 现代同步电机绝大部分都是做成电枢固定而磁场旋转的,称为转场式,如有特殊要
4、求时,可作为转枢式,如交流励磁机。 在旋转磁极式的同步电机中,按磁极的形状又可分为隐极式和凸极式两种,如图1-2所示。图1-2 同步电机的基本型式1一定子: 2一凸极转子, 3一隐极转子; 4一滑环 在固定的电源频率下,采用哪一种形式的转子和电机的转速有关。对于用汽轮机拖动的同步发电机,由于汽轮机转速较高(如 l,转子直径为1米时转子圆周的线速度就达到157msec),要求有足够的机械强度,所以转子磁极宜作成隐极式,这种电机通常称为汽轮发电机。对于用水轮机拖动的发电机,由于水轮机转速较低,因而要求有较多的磁极,转子宜作成凸极式,凸极式的转子在结构和加工工艺上都比隐极式的简单,这种电机通常称为水
5、轮发电机。 无论是汽轮发电机还是水轮发电机,它们都含有共同的三个部分,即:定子、转子和气隙。依靠转子磁场旋转,在定于绕组中产生电磁感应,实现能量转换。由于同步电机的励磁功率是由直流电源供给的,不像异步电机那样由电网供给无功励磁功率;同时为了满足同步电机运行性能的要求,电机应具有较大的气隙。按容量大小不同,气隙长度约在0.58cm范围内。而异步电机气隙较小,其长度很少有超过0.3cm 同步电机的定子铁心和绕组就其结构原理而言,与异步电机没有本质的区别,只是由于同步电机容量大,电压高,因而要求一些特殊的通风冷却和绝缘结构以及专门的加工工艺。1.4汽轮发电机的特点本教材主要介绍汽轮发电机的特点。 汽
6、轮发电机是以汽轮机为原动机的同步发电机,其基本结构为隐极式。因为隐极式转子适合高速旋转,而提高转速可以提高发电机的组的效率、减小尺寸并降低造价,所以汽轮发电机大多都做成具有最高转速的两极结构。汽轮发电机的主要结构部件有定子、转子、端盖和轴承等,简介如下:1.定子定子由铁心、绕组、机座以及若干紧固连接件构成。定子铁心一般采用含硅量极高的无取向冷轧硅钢片分组叠压而成,整个铁心用拉紧螺杆和非导磁端压板压紧成整体后固定在机座上。定子机座为钢板焊接结构,用于支撑定子铁心,并构成所需的通风路径,因此要求它由足够的刚度和强度。定子绕组一般采用双层短距叠绕形式,由于绕组的电压都设计得很高,因此对绝缘材料和绝缘
7、结构有特殊的要求,此外,为了限制电流密度,绕组导体得截面都比较大,但出于减少涡流损耗方面得考虑,每根导体由多股扁铜线并联而成,而且每股铜线在槽内的位置不固定,并且采用特殊的循环换位方式,使电流密度分布趋于平均。2.转子转子的主要部件有铁心、励磁绕组、护环、中心环和滑环等。由于受离心力限制,转子直径最多为1.5m,但最大线速度却已高达266 m/s。转子铁心(也称转子本体),是汽轮发电机最关键的部件之一,既是转子磁极的主体,也是巨大离心力的受体,因此要求它兼备高导磁性能和高机械性强度,因此一般采用铬镍钼合金锻制而成,并与转轴锻为一个整体。在铁心表面上,以主极轴线为对称中心,1/3极距宽度范围内不
8、开槽,形象称之为“大齿”,另2/3极距宽度(对称轴两侧各1/3)内均匀铣制开口式平行槽,用于安放励磁绕组(见图1-3),励磁绕组通入直流电时,就在大齿上形成N极和S极,大齿的正中就是磁极的中心。由于转速高,为避免产生过大的离心力,转子直径受到一定限制,一般不超过一米,为了提高单机容量,只能增加转子的长度,因此汽轮发电机的转于是一个细而长的园柱体,现代汽轮发电机的定子内径D与转子长度L之比约为DL0.170.5。 图1-3两极汽轮发电机转子开槽情况示意图励磁绕组,采用同心式线圈结构,由特制扁铜线绕制而成,同时绕组的绝缘亦要求高可靠性。护环、中心环和滑环。护环为一金属圆筒,共两只,用于保护励磁绕组
9、的两个端部,使之不会因为离心力作用而甩出,故要求采用高强度非导磁合金钢制成。中心环用于支持护环并阻止励磁绕组的轴向移动。滑环装在转轴上,实现励磁绕组与励磁电源的连接,一方经引线接励磁绕组,另一方则经电刷接励磁电源。3.端盖和轴承端盖将电机两端封盖起来,与机座、定子铁心和转子一道构成电机的内通风系统,多由非导磁硅铝合金浇铸而成。轴承需要承受巨大的转子重量和离心力,故采用油膜润滑的座式结构,并配有油循环系统。第二节 发电机励磁系统2.1 概述 同步电机运行时,必须在励磁绕组中通入直流电流,建立励磁磁场,相应地,将供应给励磁电流的整个装置称为励磁系统。 励磁系统是同步电机的重要组成部分,并且可分为两
10、大类:一类是采用直流发电机供给励磁电流,另一类则是通过整流装置将交流电流变成直流电流以满足需要。下面对几种常用的励磁系统作简要介绍。由于在励磁系统中励磁功率单元往往起主导作用,因此下面着重分析励磁功率单元2.2直流励磁机励磁系统直流励磁机励磁系统是过去常用的一种励磁方式。直流励磁机大多与发电机同轴,它是靠剩磁来建立电压的。由于它是靠机械整流子换向整流的,当励磁电流过大时,换向就很困难,所以这种方式只能在10万kW以下中小容量机组中采用。 2.3交流励磁机励磁系统 目前,容量在100MW以上的同步发电机组都普遍采用交流励磁机励磁系统,同步发电机的励磁机也是一台交流同步发电机,其输出电压经大功率整
11、流器整流后供给发电机转子。交流励磁机励磁系统的核心设备是励磁机,它的频率、电压等参数是根据需要特殊设计的,其频率一般为100Hz或更高。交流励磁机励磁系统根据励磁机电源整流方式及整流器状态的不同又可分为以下几种:(一)他励交流励磁机励磁系统他励交流励磁机励磁系统是指交流励磁机备有他励电源中频副励磁机或永磁副励磁机。在此励磁系统中,交流励磁机经硅整流器供给发电机励磁,其中硅整流器可以是静止的也可以是旋转的,因此又可分下列二种方式。1交流励磁机静止整流器励磁系统如图1-6所示的励磁自动控制系统是由与主机同轴的交流励磁机、中频副励磁机和调节器等组成。在这个系统中,发电机G的励磁电流由频率为100Hz
12、的交流励磁机AE经硅整流器VSR供给,交流励磁机的励磁电流由晶闸管可控整流器供给,其电源由副励磁机提供。副励磁机是自励式中频交流发电机,用自励恒压调节器保持其端电压恒定。由于副励磁机的起励电压较高,不能象直流励磁机那样能依靠剩磁起励,所以在机组起动时必须外加起励电源,直到副励磁机的输出电压足以使自励恒压调节器正常工作时,起励电源方可退出。在此励磁系统中,励磁调节器控制晶闸管元件的控制角,来改变交流励磁机的励磁电流,达到控制发电机励磁的目的。图1-6 他励交流励磁机励磁系统原理接线这种励磁系统的性能和特点如下:(1)交流励磁机和副励磁机与发电机同轴是独立的励磁屯源,不受电网干扰,可靠性高。 (2
13、)交流励磁机时间常数较大,为了提高励磁系统快速响应,励磁机转子采用叠片结构,以减小其时间常数和因整流器换相引起的涡流损耗,频率采用100Hz或150Hz。因为100Hz叠片式转子与相同尺寸的50Hz实心转子相比,励磁机时间常数可减小约一半。交流副励磁机频率为400500Hz。(3)同轴交流励磁机、副励磁机,加长了发电机主轴的长度,使厂房长度增加,因此,造价较高。(4)仍有转动部件需要一定的维护工作量。(5)一旦副励磁机或自励恒压调节器发生故障,均可导致发电机组失磁。如果采用永磁发电机作为副励磁机,不但可以简化调节设备,而且励磁系统的可靠性也可大为提高。2交流励磁机旋转整流器励磁系统(无刷励磁)
14、图1-6所示的交流励磁机励磁系统是国内运行经验最丰富的一种系统。它有一个薄弱环节滑环。滑环是一种滑动接触元件、随着发电机容量的增大,转子电流也相应增大,这给滑环的正常运行和维护带来了困难。为了提高励磁系统的可靠性,就必须设法取消滑环,使整个励磁系统都无滑动接触元件,即所谓无刷励磁系统。图1-7是无刷励磁系统的原理接线图。它的副励磁机是永磁发电机,其磁极是旋转的,电枢是静止的,而交流励磁机正好相反。交流励磁机电枢、硅整流元件、发电机的励磁绕组都在同一根轴上旋转,所以它们之间不需要任何滑环与电刷等接触元件,这就实现了无刷励磁。图1-7无刷励磁系统的原理接线图无刷励磁系统没有滑环与炭刷等滑动接触部件
15、,转子电流不再受解除部件技术条件限制,因此特别适合于大容量发电机组。此种励磁系统的性能和特点为: (1)无炭刷和滑环,维护工作量可大为减少。(2)发电机励磁由励磁机独立供电,供电可靠性高。并且由于无刷,整个励磁系统可靠性更高。(3)发电机励磁控制是通过调节交流励磁机的励磁实现的,因而励磁系统的响应速度较慢。为提高其响应速度,除前述励磁机转子采用叠片结构外,还采用减小绕组电感取消极面阻尼绕组等措施。另外,在发电机励磁控制策略上还采取相应措施增加励磁机励磁绕组顶值电压,引入转子电压深度负反馈以减小励磁机的等值时间常数。(4)发电机转子及其励磁电路都随轴旋转,因此在转子回路中不能接入灭磁设备,发电机
16、转子回路无法实现直接灭磁,也无法实现对励磁系统的常规检测(如转子电流、电压,转子绝缘,熔断器熔断信号等),必须采用特殊的测试方法。(5)要求旋转整流器和快速熔断器等有良好的机械性能,能承受高速旋转的离心力。(6)因为没有接触部件的磨损,所以也就没有炭粉和铜末引起的对电机绕组的污染,故电机的绝缘寿命较长。(二)自励交流励磁机励磁系统自励直流励磁机一样,自励交流励磁机的励磁电源也是从本机直接获得的,所不同直流励磁机为了调整电压需用一个磁场电阻;而自励交流励磁机为了维持其端电压则改用了可控整流元件。1自励交流励磁机静止可控整流器励磁系统这种励磁方式的原理如图1-8所示。发电机G的励磁电流由交流励磁机
17、AE经晶闸管整流装置VS供给。交流励磁机的励磁一般采用晶闸管自励恒压方式。励磁调节器AVR 图1-8 自励交流励磁机静止可控整流器励磁接线直接控制晶闸管整流装置。采用半导体励磁调节器及晶闸管整流装置,其时间常数很小,与图1-6的励磁方式相比,励磁调节的快速性较好。但本励磁方式中,励磁机的容量要比图1-6中的要大,因为它的额定工作电压必须满足强励顶值电压的要求,而在图1-7中,励磁机额定工作电压远小于顶值电压,只有在强励情况下才短时达到顶值电压。因此,晶闸管励磁的励磁机容量要比硅整流励磁的大得多。2自励交流励磁机静止整流器励磁系统这一励磁系统原理接线如图1-9所示。发电机C的励磁电流由交流励磁机
18、AE经硅整流装置VS供给,半导体型励磁调节器控制晶闸管整流装置VS,以达到调节发电机励磁的目的。这种励磁方式与图1-8励磁方式相比其响应速度较慢,因为在这里还增加了交流图1-9 自励交流励磁机静止整流器励磁接线励磁机自励回路环节,使动态响应速度受到影响。交流励磁机自并励方式使励磁系统结构大为简化,是汽轮发电机常用的励磁方式。2.4静止励磁系统(发电机自并励系统) 静止励磁系统(发电机自并励系统)中发电机的励磁电源不用励磁机,而由机端励磁变压器供给整流装置。这类励磁装置采用大功率晶闸管元件,没有转动部分,故称静止励磁系统。由于励磁电源是发电机本身提供,故又称为发电机自并励系统。 静止励磁系统如图
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