汽轮发电机结构及原理

第四节汽轮发电机汽轮发电机是同步发电机的一种，它是由汽轮机作原动机拖动转子旋转，利用电磁感应原理把机械能转换成电能的设备。

汽轮发电机包括发电机本体、励磁系统及其冷却系统等。

一、汽轮发电机的工作原理按照电磁感应定律，导线切割磁力线感应出电动势，这是发电机的基本工作原理。

汽轮发电机转子与汽轮机转子高速旋转时，发电机转子随着转动。

发电机转子绕组内通入直流电流后，便建立一个磁场，这个磁场称主磁极，它随着汽轮发电机转子旋转。

其磁通自转子的一个极出来，经过空气隙、定子铁芯、空气隙、进入转子另一个极构成回路。

根据电磁感应定律，发电机磁极旋转一周，主磁极的磁力线北装在定子铁芯内的U、V、W三相绕组（导线）依次切割，在定子绕组内感应的电动势正好变化一次，亦即感应电动势每秒钟变化的次数，恰好等于磁极每秒钟的旋转次数。

汽轮发电机转子具有一对磁极（即1个N极、一个S极），转子旋转一周，定子绕组中的感应电动势正好交变一次（假如发电机转子为P对磁极时，转子旋转一周，定子绕组中感应电动势交变P次）。

当汽轮机以每分钟3000转旋转时，发电机转子每秒钟要旋转50周，磁极也要变化50次，那么在发电机定子绕组内感应电动势也变化50次，这样发电机转子以每秒钟50周的恒速旋转，在定子三相绕组内感应出相位不同的三相交变电动势，即频率为50Hz的三相交变电动势。

这时若将发电机定子三相绕组引出线的末端（即中性点）连在一起。

绕组的首端引出线与用电设备连接，就会有电流流过，这个过程即为汽轮机转子输入的机械能转换为电能的过程。

二、汽轮发电机的结构火力发电厂的汽轮机发电机皆采用二极、转速为3000r/min的卧式结构。

发电机与汽轮机、励磁机等配套组成同轴运转的汽轮发电机组。

发电机最基本的组成部件是定子和转子。

为监视发电机定子绕组、铁芯、轴承及冷却器等各重要部位的运行温度，在这些部位埋置了多只测温元件，通过导线连接到温度巡检装置，在运行中进行监控，并通过微机进行显示和打印。

在发电机本体醒目的位置装设有铭牌，标出发电机的主要技术参数，作为发电机运行的技术指标。

（一）定子发电机的定子由定子铁芯、定子绕组、机座、端盖及轴承等部件组成。

1.定子铁芯定子铁芯是构成磁路并固定定子绕组的重要部件，通常由0.5mm或0.35mm 厚，导磁性能良好的冷轧硅钢片叠装而成。

大型汽轮发电机的定子铁芯尺寸很大，硅钢片冲成扇形，再用多片拼装成圆形。

2.定子绕组定子绕组嵌放在定子铁芯内圆的定子槽中，分三相布置，互成120°电角度，以保证转子旋转时在三相定子绕组中产生互成120°相位差的电动势。

每个槽内放有上下两组绝缘导体（亦称线棒），每个线棒分为直线部分（置于铁芯槽内）和两个端接部分。

直线部分是切割磁力线并产生感应电动势的有效边，端接部分起连接作用，把各线棒按一定的规律连接起来，构成发电机的定子绕组。

中、小型发电机的定子线棒均为实心线棒。

大型发电机由于散热的需要，采用内部冷却的线棒，即由若干实心线棒和可通水的空心线棒并联组成。

3.机座及端盖机座的作用是支撑和固定发电机定子。

机座一般用钢板焊接而成，应有足够的强度和刚度，并能满足通风散热的要求。

端盖的作用是将发电机本体的两端封盖起来，并与机座、定子铁芯和转子一起构成电机内部完整的通风系统。

（二）转子发电机的转子主要由转子铁芯、励磁绕组（转子线圈）、护环和风扇等组成，是汽轮发电机最重要的部件之一。

由于汽轮发电机转速高，转子受到离心力很大，所以转子都呈细长形，且制成隐极式的，以便更好地固定励磁机组。

1.转子铁芯发电机转子采用高强度、导磁性能良好的合金钢加工而成。

沿转子铁芯表面铣有用于放置励磁绕组的凹槽。

槽的排列方式一般为辐射式，槽与槽之间的部分为齿。

未加工的部分通称大齿，余称小齿。

大齿作为磁极的极身，是主要磁通回路。

在大齿表面沿横向铣出若干个圆弧形月牙槽，使大齿区域和小齿区域两个方向的刚度相同。

2.励磁绕组励磁绕组为若干个线圈组成的同心式绕组。

线圈用矩形扁铜线绕制而成。

励磁绕组放在槽内后，绕组的直线部分用槽楔压紧，端部径向固定采用护环，轴向固定采用云母块和中心环。

励磁绕组的引出线经导电杆接到集电环（滑环）上再经电刷引出。

3.护环和中心环汽轮发电机转速很高，励磁绕组端部承受很大的离心力，所以要用护环和中心环来紧固。

护环把励磁绕组端部套紧，使绕组端部不发生径向位移和变形；中心环用以支持护环并防止端部的轴向移动。

4.集电环集电环分为正、负两个环，由坚硬耐磨的合金锻钢制成，装于发电机的励磁机端外侧。

两个集电环分别通过引线接到励磁绕组的两端，并借电刷装置引至直流电源。

5.风扇风扇装于发电机转子的两端，用以加快氢气在定子铁芯和转子部分的循环，提高冷却效果。

三、发电机的出线容量为200MW及以上的发电机出线至主变压器、厂用变压器之间，多采用全连式分相封闭母线进行连接。

封闭母线应满足正常最大工作电压和最大持续电流、最高环境温度等要求。

封闭母线可采用自然冷却或机械通风冷却。

中小型发电机的引出线常采用矩形或槽形铝排连接，只有当发电机和变压器距离较远时，才采用多根铝导线进行连接。

对于发电机中性点的连接方式，当发电机容量较大、电压回路电容电流超过规定值时，需经消弧线圈或接地变压器接地，而且当发电机发生单相接地故障时，由保护装置动作，发出操作命令或报警信号。

由于小容量发电机电压回路电容电流较小，中性点可不接地。

四、发电机的励磁系统励磁系统的主要作用是：①发电机正常运转时，按主机负荷情况供给和自动调节励磁电流，以维持一定的端电压和无功功率的输出，。

②发电机并列运行时，使无功功率分配合理。

③当系统发生突然短路故障，能对发电机进行强励，以提高系统运行的稳定性。

短路故障切除后，使电压迅速恢复正常。

④当发电机负荷突减时，能进行强行减磁，以防止电压过分升高。

⑤发电机发生内部故障，如匝间短路或转子发生两点接地故障掉闸后以及正常停机能对发电机自动消磁。

（一）直流励磁机励磁直流励磁机励磁是中小型同步发电机采用的一种励磁方式。

这种方式的特点是同步发电机的转子绕组由专用的直流励磁机供电，直流励磁机与同步发电机同轴，通过调节直流励磁机的电枢电势从而调节送入发电机转子绕组的励磁电流，达到调节发电机机端电压和输出无功功率的目的。

随着机组容量的不断增大，直流励磁机励磁方式表现出了明显的缺陷，一是受换向器所限制其制造容量不可能大；二是整流子、碳刷及滑轮磨损，污染环境，运行维护麻烦；三是励磁调节速度慢，可靠性低。

同轴直流励磁机已无法适应大容量汽轮发电机的需要。

（二）交流励磁机带静止整流器励磁同步发电机转子绕组的励磁电流由静止半导体整流器供给，与同步发电机同轴的交流主励磁机是整流器的交流电源。

主励磁机的励磁电流由与其同轴的一台交流副励磁机经三相可控硅整流供给，交流副励磁机做成永磁式。

随着发电机运行参数的变化，励磁调节器AVR（调节电路）自动地改变主励磁机励磁回路可控整流装置的控制角，以改变其励磁电流，从而改变主励磁机的输出电压，也就调节了发电机的励磁电流。

交流励磁机的频率一般采用100Hz,交流副励磁机多采用永磁式中频同步发电机，其频率一般为400～500Hz,以减少励磁绕组的电感及时间常数。

交流励磁机静止整流器励磁系统通常称为三机励磁方式。

发电机、主励磁机和副励磁机三台交流同步发电机同轴旋转，励磁机不需换向器，而整流装置和励磁调节器是静止的，所以励磁容量不会受到限制。

（三）交流励磁机带旋转整流器励磁这种励磁系统将交流励磁机制成旋转电枢式，旋转电枢输出的多相交流电流经装在同轴的硅整流器整流后，直接送给同步发电机的转子绕组，这样就无需通过电刷及集电环装置，所以又称为无刷励磁系统。

同静止整流器励磁系统相比，由于旋转整流器励磁系统中没有集电环及电刷等装置，从而避免了大型汽轮发电机集电环及电刷易发生故障的难题，是最有前途的励磁方式。

在国产300MW的机组中，目前旋转整流器励磁系统配套使用于全氢冷及水氢氢冷机组上。

(四)无励磁机的静止晶闸管励磁无励磁机的静止晶闸管励磁系统，即自并励励磁系统，其晶闸管整流装置的电源，一种是采用发电机端的整流变压器供电，另一种是由厂用母线引出的整流变压器供电。

用整流变压器作为励磁电源具有简单可靠、容量不受限制、设备费用低、缩短了机组的长度、整流设备安装地点不受限制、不需要经常监视和维护等优点，因而在大容量机组上（特别是大型水轮发电机）得到广泛的应用。

五、汽轮发电机冷却方式简介发电机运行时，其内部产生的各种损耗化为热能，会引起电机发热。

尤其是大型汽轮发电机，因其结构细长，中部热量不易散发，发热问题更显得严重。

如果电机温度过高，会直接影响发电机的使用寿命，因此冷却问题对大型发电机是非常重要的问题，下面介绍几种典型的冷却方式：1.空气冷却发电机空气冷却的发电机是通过发电机的通风系统，由空气的循环使电机得以冷却。

空气冷却方式的冷却能力小，摩擦损耗大。

当电机容量时，各种损耗产生的热量增多，需要的冷却空气量也增大，空冷发电机尺寸也要做得比较大。

因此，这种冷却方式一般用于中小型发电机。

2.氢气冷却发电机为了提高冷却效率，用氢气代替空气冷却，其效果要好得多。

因为氢气比空气轻十多倍，导热性比空气高六倍多，流动性比空气好，故采用氢冷时，风阻损耗大为减小，冷却效果明显加强，所以可提高单机的容量。

但是，如果氢气不纯净，会引起爆炸，所以要注意防爆和防漏问题。

汽轮发电机采用氢气冷却的方式，可分为氢内冷和氢外冷。

用氢气吹拂导体绝缘表面带走热量的方式为氢表面冷却，即氢外冷。

氢外冷发电机冷却系统的构成与空气冷却系统基本相同，只是将氢外冷却器装在发电机壳内，以减少氢气的用量；冷却介质氢直接接触绕组导体的冷却方式称为氢内冷。

这种冷却方式可使绝缘导体表面的热量直接由冷却介质带走，可大大提高冷却效果。

3.水内冷发电机将经过处理的水，直接通入空芯导体的内部，带走热量的冷却方式叫水内冷。

由于水的流动性好，其散热能力远远大于空气和氢气，所以水内冷是一种较理想的冷却方式。

把经过处理的洁净水同时通入定子绕组和转子励磁绕组的空心导体内进行冷却，则称为双水内冷，定子绕组端头由特殊的水管接头，通过一段塑料管接至进水、出水总管。

高速旋转的转子绕组由进水装置，冷却水于励磁机侧的轴端由静子的进水支座流入转轴的中心孔，然后沿几个径向孔流到集水箱，再等分地分别流经装在集水箱上的进水绝缘管，沿轴向流入各路线圈。

冷水吸热后再经过各支路的出水绝缘水管，汇总到出水箱，通过出水箱外圆上的排水孔喷到出水支座内，最后由出水总管引出。

4.冷却方式的应用情况汽轮发电机的容量不同，采用的冷却方式也不一样。

50MW以下的汽轮发电机，一般采用空气冷却；50～100mw的汽轮发电机一般采用氢外冷；100-150MW 的汽轮发电机，一般采用定子绕组氢外冷，转子绕组氢内冷，铁芯氢冷；200MW 以上的大型汽轮发电机。