发电机的工作原理及结构.docx

一 .发电机的基本原理:
   我们知道，导线切割磁力线能够产生感应电势，将导线连成闭合回路，就有电流流通，发电机就是基于这个原理工作的。
   图1-1为最简单的两极同步发电机。定子上有AX、BY、CZ三相对称绕组，转子是直流励磁的主磁极。
   当转子磁极上的激磁绕组通以直流励磁电流时，转子形成N与S极的主磁极磁场，磁通Φ0从N极出来，经气隙－定子铁芯－气隙，进入S极而形成磁回路，如图中虚线所示。
   若发电机转子由原动机拖动逆时针方向以速度n旋转时，主极磁通Φ0切割定子绕组而感应出对称的三相电势，其电势频率为
式中：n－转子转速，P－极对数

图1-1两极同步发电机：1－定子铁芯 2-转子 3-集电环
   每相绕组电势的波形，取决于气隙磁密沿圆周的分布以及定子绕组的具体结构。电力系统中应用的同步发电机，线电势波形都具有很好的正弦性。但是，由于高次谐波的存在，实际线电势波形与正弦波形有一定偏差，只要高次谐波的幅值限制在规定范围内，即可认为线电势是正弦波形。
   当发电机带上负载，三相定子绕组中将产生电流，三相电流又产生一个合成的旋转磁场，该磁场与转子以相同的转速和方向旋转，这就叫“同步”。
2、发电机的结构：
   电机本体主要由一个不动的定子（包括机座、端盖、定子铁芯、定子绕组、隔振结构和端部结构等）和一个可以转动的转子（包括转子铁芯、转子绕组、转子护环、转子阻尼结构、转子风扇等）构成。另外为保证发电机在运行中定子、转子各部分不超温，为此，发电机还设有定子内冷水冷却系统，发电机氢冷系统和为防止氢气从轴封漏出的密封油系统。
1： 发电机定子
   发电机定子主要由机座、端盖、定子铁芯、定子绕组、隔振结构和端部结构等部分组成。
1）机座与端盖
   机座是用钢板焊成的壳体结构，它的作用主要是支持和固定定子铁芯和定子绕组。此外，机座可以防止氢气泄漏和承受住氢气的爆炸力。
   在机壳和定子铁芯之间的空间是发电机通风（氢气）系统的一部分。由于发电机定子采用轴向通风，氢气交替地通过铁芯的外侧和内侧，再集中起来通过冷却器，从而有效地防止热应力和局部过热。
   端盖是发电机密封的一个组成部分，结构如图1-9所示。为了安装、检修、拆装方便，端盖由水平分开的上下两半构成，并设有端盖轴承。在端盖的合缝面上还设有密封沟，沟内充以密封胶以保证良好的气密。

图1-9 发电机端盖轴承结构图

  轴瓦采用椭圆式水平中分面结构，轴瓦外园的球面形状保证了轴承有自调心的作用。
在转轴穿过端盖处的氢气密封是依靠油密封的油膜来保证。密封瓦为铜合金制成，内圆与轴间有间隙，装在端盖内圆处的密封座内。
密封瓦分成四块，在径向和轴向均有卡紧弹簧箍紧，尽管密封瓦在径向可以随轴一起浮动，但在密封座上下均有销子可以防止它切向转动。
密封油经密封座和密封瓦的油腔流入瓦和轴之间的间隙沿径向形成油膜以防止氢气外泄，在励端油密封设有双层对地绝缘以防止轴电流烧伤转轴。
2）定子铁芯
   定子铁芯是构成发电机磁路和固定定子绕组的重要部件。为了减少铁芯的磁滞和涡流损耗，定子铁芯采用导磁率高、损耗小、厚度为0.5mm的优质冷轧硅钢片冲制而成。
每层硅钢片由数张扇形片组成一个圆形，每张扇形片都涂了耐高温的水溶性无机绝缘漆。
定子铁芯轴向固定结构采用绝缘穿心螺杆，分块齿压板和整体压板压紧结构；自振频率避开基频和倍频±10%以上，振幅为小于50µm；铁芯端部压指、压板为无磁性材料；压板外侧设有磁屏蔽。
3)定子绕组
   定子绕组是由条形线棒构成的分数极距双层式绕组，条形线棒嵌装在沿整个定子铁芯圆周均匀分布的矩形槽中。
一根线棒分为直线部分和两个端接部分，直线部分放在槽内，它是切割磁力线感应电动势的有效边，端线按绕组接线型式有规律地连接起来。
定子线棒有84 根，由不锈钢通水管和实心铜线编织组成；
实心用无氧铜线，包绝缘；
上、下层线棒等截面；线棒双排结构，每排按5实1空间隔叠5组；
为减少在负载运行条件下，定子绕组产生的自感应涡流损耗，定子线棒直线部分导线进行540°空换位编织。
所谓换位，就是在线棒编织时，让每根线棒沿轴向长度，分别处于槽内不同高度的位置，这样每根线棒的漏电抗相等，使每根导体内电流均匀，减少直线及端部的横向漏磁通在各股导体内产生的环流及附加损耗。    
   定子线棒端部的所有股线均焊接到水电接头上，通过铜带将两根线棒水电接头焊在一起形成电气连接，构成一匝线圈；
而所有空心股线中的冷却水通过水电接头的水路接至靠励端的汇流母管，并经绝缘引水管进入线圈。
在发电机端设有一条进水母管；在汽机端部设有一条出水母管。
冷却水流通道为单向型，即从发电机端流向汽机端。
   定子主绝缘厚度6.5mm (27kV)；F级绝缘，B级考核；VPI绝缘工艺制造，Micalastic绝缘体系;直线部分为低阻防晕层，端部为非线性高阻防晕漆。
   定子采用整段槽楔；径向固定：楔下设双滑移层，并设双波纹板；切向固定：侧面插人半导体垫条；
层间、底部用适形材；采用热压涨管工艺
4）隔振结构
   为了减小由于转子磁通对定子铁芯的磁拉力引起的双频振动，以及短路等其它因素引起的定子铁芯振动对机座和基础的影响，在定子铁芯和机座之间采用两侧立式、下部切向弹簧板隔振结构
5)定子绕组端部固定
   随着发电机容量的增大，作用在定子绕组端部的电磁力也急剧增强。
因此，定子绕组端部固定的强度问题，在突然短路的强大过渡电磁力下和在正常运行时较小的交变电磁振动下都显得更为突出。
端部的固定在径向、切向既要具有承受突然短路时电磁力的足够强度，也要防止倍频振动引起共振造成的绝缘磨损。
   另外，考虑到铁芯和线棒热膨胀系数不一样，所以在轴向要有伸缩的弹性固定结构。
大容量发电机绕组端部热胀冷缩之差可达0.5~1.5mm，如果端头固定死，就会产生4.00~12.00MPa的压应力。
近年来，在大容量发电机端部绕组固定措施中，主要倾向是尽可能将垫料及紧固件均由高强度绝缘材料压制而成，以避免使用金属材料。
早期的发电机端部采用刚性结构，现已发展到用刚柔相结合的结构。
   发电机定子端部线圈固定采用西门子公司成熟的刚一柔固定结构，该结构在径向、切向的刚度很大，而在轴向能自由伸缩。当运行温度变化，铜铁膨胀不同时，绕组端部可轴向自由伸缩，有效减缓绕组绝缘中产生的机械应力。
端部固定特点如下:
（1）定子线圈端部固定采用大锥环、弧形压板结构，整个端部线圈间浇垫成整体； 
（2）定子端部线圈渐伸线采用变节距设计，增大线圈隔相距离； 
（3）径向采用具有目锁弹性自调整支紧结构，轴向用定位件支撑加以轴向定位，整个定子线圈端部在运行时能伸缩； 
（4）定子线圈端部外包保护层，便于今后维修。
2：发电机转子
   发电机转子主要由转子铁芯、转子绕组、转子护环、转子阻尼结构、转子风扇等部分构成。
1)转子铁芯
   转子铁芯采用高强度合金钢整体锻造而成，具有良好的导磁性能和机械性能。
在转子本体上加工有用于嵌入励磁绕组的平行槽(纵向槽)。
纵向槽沿转子轴圆周分布，从而获得两个实心磁极。转子轴的磁极均设计有横向槽，以降低由于磁极和中轴线方向挠曲所引起的双倍频率的转子振动。
   转轴采用优质合金钢制造，经真空浇注、锻造、热处理和全面试验检查，确保了转轴的机械性能、导磁性能要求，和转轴材料的均匀性，以承受在发电机运行中，转子离心力和发电机短路力矩所产生的巨大机械应力。
转轴由一个电气上的有效部分（转子本体）和两处轴颈组成。在发电机轴承外侧，与转轴整体锻造的靠背轮法兰，分别将发电机转子与汽轮机和励磁机转子相联。
转子本体圆周上约有三分之二开有轴向槽，用于嵌放转子绕组。转子本体的两个磁极相隔180°。 
   转子本体圆周上的轴向槽分布不均匀，使直轴与横轴的惯性矩不同，将导致转子以双倍系统频率振动。
为了消除此振动，转子大齿上设有横向槽，以平衡直轴与横轴的刚度差。转子大齿上开有嵌放阻尼槽楔的轴向槽。
在转子线圈槽中，转子槽楔起阻尼绕组作用。
2) 转子绕组 
   转子绕组由嵌入槽中的多个串联线圈组成，两个线圈组构成一个极。
每个线圈则由若干个串联的线匝组成，而每个线匝则由两个纵向线匝和横向线匝构成，各线匝在端截面钎焊在一起。
转子绕组由带有冷却风道的含银脱氧铜空心导线构成。线圈的各线匝之间通过隔层相互绝缘。
带有Nomex 填料的L形环氧玻璃纤维织物被用作槽绝缘材料。
槽楔由高导电率材料制成并延伸至护环的收缩座下面。
护环座经镀银处理，以保证槽楔和转子护环之间的良好电气接触。

图1-11转子端部绕组
1-转子本体；2-槽楔；3-直线部分进风口；4-垫块；5-端部绕组出风口
3) 转子护环 
   采用整体式转子护环来抑制转子端部绕组的离心力。
转子护环由非磁性高强度钢质材料制成，以降低杂散损耗。
每个护环悬空热套在转子本体上。采用一开口环对护环进行轴向固定。 
护环承受转子端部绕组产生的离心力。
护环一端热套在转子本体上，另一端悬挂在转子端部绕组上，不与转轴接触。
这种悬挂式护环的结构，与转轴的挠曲无相互影响。
   中心环热套在护环自由端内圆，圆周方向支撑了护环，提高了护环的刚度，同时在轴向支撑转子端部线圈。
环键防止护环的轴向位移。 
   为了降低杂散损耗，达到足够强度，护环采用高强度反磁钢冷加工制造。  
护环热套面在阻尼系统中起到短路环作用。为了降低接触电阻，热套面经镀银处理。 
4) 转子槽楔和阻尼结构 
   转子槽楔由强度高、导电率好的铜合金材料制成，槽楔中间开有径向通风孔，外伸到护环的搭接面下，并确保槽楔和转子护环间良好的电接触。
发电机转子每一磁极上开有4个阻尼糟，阻尼槽楔材料为导电优良的银铜材料，槽楔表面镀银处理。从而与转子齿接触得更好。
阻尼槽楔承受负序电流在本体表面产生的涡流。
与护环一起构成回路，本系统经长期运行验证为非常好的阻尼绕组系统，完全能满足负序能力。
   转子线圈在槽中用槽楔固定，以承受离心力的作用。
槽楔一直延伸到护环下面，护环兼起了阻尼绕组的短路环作用。另外，在磁极表面设有放置阻尼槽楔的阻尼槽。 

图1-12 发电机转子风扇结构组成图
1-挡板环托架；2-挡板环；3-导向翼片；4-风扇轮毂；5-风扇叶片；6-转子气体进口

图1-13转子风扇
1-转轴；2-进风口；3-平衡块槽；4-风扇座；5-风扇叶片；6-护环
   如图1-12、图1-13所示，在发电机汽端装有一个多级风扇的的轴流风机为氢气冷却提供驱动力，风扇由装在转子汽端的动叶片和固定在静子汽侧端盖上的静叶道风装置构成，风扇安装于热套在转子轮上的轮毂上，轮毂下设有转子绕组冷却通风风道。
扇与从沿转子本体出风口排出气体所产生的压力一起作用，增强了转子绕组的冷却效果。风扇叶片安装在风扇座的T型槽上，风扇座热套在转轴上。