大型发电机结构及特点

大型发电机结构及特点摘要：介绍发电机的工作原理，主要介绍了大型发电机的组成部件，主要有定子、转子、发电机励磁控制系统、汽轮发电机冷却方式和发电机的主接线。

另外还介绍了发电机的主接线一些知识。

关键词：大型发电机结构技术参数一、发电机概述发电机是将其他形式的能源转换成电能的机械设备，它由水轮机、汽轮机、柴油机或其他动力机械驱动，将水流，气流，燃料燃烧或原子核裂变产生的能量转化为机械能传给发电机，再由发电机转换为电能。

发电机在工农业生产，国防，科技及日常生活中有广泛的用途。

发电机的形式很多，但其工作原理都基于电磁感应定律和电磁力定律。

因此，其构造的一般原则是：用适当的导磁和导电材料构成互相进行电磁感应的磁路和电路，以产生电磁功率，达到能量转换的目的。

发电机可分为直流发电机和交流发电机，交流发电机又可分为同步发电机和异步发电机(很少采用) ，还可分为单相发电机与三相发电机。

发电机通常由定子、转子、端盖及轴承等部件构成。

定子由定子铁芯、线包绕组、机座以及固定这些部分的其他结构件组成。

转子由转子铁芯(或磁极、磁扼)绕组、护环、中心环、滑环、风扇及转轴等部件组成。

二、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。

图1为同步发电机的工作原理图。

发电机转子与汽轮机转子为同轴连接，当蒸汽推动汽轮机高速旋转时，发电机转子随着转动。

发电机转子绕组内通入直流电源后，便建立了一个磁场，这个磁场有一对主磁极，它随着汽轮机发电机转子旋转。

磁通自转子的一个极（N级）出来，经过空气隙、定子铁芯、空气隙，进入转子另一个极（S极）构成回路。

图1 同步发电机工作原理图2 发电机出线的接线发电机转子具有一对磁极，转子旋转一周，定子绕组中感应电动势正好交变一次（假如发电机转子为P对磁极是，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（即中心点）连在一起，绕组的首端引出线与用电设备相连，就会有电流流过，如图2所示。

三、发电机的结构图3 大型发电机基本结构目前我国热力发电厂的发电机皆采用二极、转速为3000r/m的卧式结构。

如图4所示，发电机最基本的组成部件是定子和转子。

图4 300MW汽轮发电机组侧视图1-发电机主体；2-主励磁机；3-永磁副励磁机；4-气体冷却器；5-励磁机轴承；6-碳刷架隔音罩；7-电机端盖；8-连接汽轮机背靠轮；9-电机接线盒；10-电路互感器；11-引出线；12测温引线盒；13-基座定子由铁芯和定子绕组构成，固定在机壳（座）上，转子由轴承支撑置于定子铁芯中央，转子绕组上通以励磁电流。

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，在这些部位埋植了多只测温元件，通过导线连接到温度巡检装置，在运行中监控，比通过微机进行现实和打印。

图 5 发电机定子外形图图 6 发电机转子外形图（一）定子发电机的定子有机座、定子铁芯、定子绕组、端盖等部件组成。

1、定子铁芯定子铁芯是构成发电机磁路并固定定子绕组的重要部件，如图7所示。

为了减少铁芯的磁滞和涡流损耗，现代大容量发电机定子铁芯常常用磁导率高、损耗小、厚度为0.35~0.5mm的优质冷轧硅钢片叠装而成。

每层硅钢片由数张扇形片拼成一个圆形，每张扇形片都涂了耐高温的无极绝缘漆。

定子铁芯的叠装结构与其通风散热方式有关。

大容量电机铁芯的通风冷却有四种方式：○1铁芯轴向风段通风；○2铁芯轴向分段径向分区通风；○3铁芯内轴向通风；○4铁芯半轴向通风。

图7 定子铁芯为了减少铁芯端部漏磁和发热，制造厂主要采取了下列措施：（1）把靠两端的铁芯段均采用阶梯形结构，用逐步扩大气隙以增大磁阻的办法来减少轴向进入定子边段铁芯的漏磁通。

（2）在铁芯端部各阶梯段的扇形叠片的小齿上开了1~2个宽为2~3mm的小槽，如图8所示，以减少齿部的涡流损耗和发热。

（3）铁芯端部的齿连接片及其外侧的压圈或连接片采用电阻系数低的非磁性钢，利用其中涡流的反磁作用，以削弱进入端部铁芯的漏磁通。

图8 阶梯铁芯扇形片齿上开槽（4）压圈外侧加装环形电屏蔽层，用导电率高的铜板或铝板制成。

因铁芯端部采用阶梯形后，压圈处的漏磁会有所增多，利用电屏蔽层中的涡流就能有效阻止漏磁进去压圈内圆部分，以防压圈局部出现高温或过热。

（5）铁芯压紧不用整体压圈而用分块铜质连接片（铁芯不但要定位筋，还要用穿心螺旋锁死），这种连接片本身也起电屏蔽作用，分块后亦可减少自身的发热。

有的还在分块后连接片靠铁芯侧再加电屏蔽层。

（6）在压圈和铁芯齿连接片之间加装磁屏蔽，用硅钢片冲成武痴的扇形叠成，形成一个磁分路，能减少齿根和压圈上的漏磁集中现象。

（7）转子绕组端部的护环采用非磁性的锰铬合金制成，利用反磁作用，减小转子端部漏磁对定子铁芯端部的影响。

（8）在冷却系统中，加强对端部的冷却。

2、定子绕组（1）定子绕组结构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°相位角的电动势。

大容量发电机定子绕组和一般交流发电机定子绕组的共同点，都采用三相双层短节距分布绕组，目的是为了改善感应电动势的波形，即消除绕组的高次谐波电动势，以获得近似的正弦波电动势。

定子绕组采用叠式绕组，每个绕组都是由两根条形线棒各自做成半匝后，构成所谓单匝式结构，然后在端部线鼻处用对接或并头套焊接结成一个整单匝式绕组。

绕组按双层单叠的方式构成的一个极相组。

600MW发电机的定子绕组都采用单匝短距上层叠绕，三相接成双星型（YY）。

绕组每匝绕组的端部（伸处铁芯槽外部分）都向铁芯的外侧倾斜，按渐开的形式展开。

端部绕组向外倾斜角为15°～30°左右，形式花篮，故称篮型绕组，如图5所示。

水内冷定子绕组线棒采用聚脂双玻璃丝包绝缘实心扁铜线和空心裸铜线组合而成。

一般由一根空心导线和2～4根实心绝缘变现变成一组，一根线棒由许多组构成，分成2～4排。

国产600MW发电机定子线棒空心、实心导线的组合比为1：2，如图9所示，为一种600MW 水内冷定子线棒在定子槽中的断面。

图9 定子线棒断面为了平衡股间导线的阻抗，抑制趋表效应，减少直线及端部的横向漏磁通在各股导体内产生环流级附加损耗，使每根子导线内电流均匀，线棒在槽内各股线（包括空心线）要进行换位。

大容量的电机定子线棒（如国产600MW汽轮发电机）一般采用540°换位。

（2）定子绝缘定子绕组绝缘包括股间绝缘、排间绝缘、换位部位的加强绝缘和线棒的主绝缘。

主绝缘是指定子导体和铁芯间的绝缘，亦称对地绝缘或线棒绝缘。

主绝缘是线棒各种绝缘中重要的一种绝缘，它是最易受到磨损、碰伤、老化和电腐蚀及化学腐蚀的部分。

主绝缘在结构上可分为两种：一种是烘卷式；另一种是连续式。

大容量发电机都采用连续式绝缘。

现在国内外大容量发电定子绕组的绝缘材料，普遍采用以玻璃布为补强材料的、环氧树脂为粘合剂或浸渍剂的粉云母带，最高允许温度在130℃。

其优点是耐潮性高、老化慢、电气、机械及热性能好，但耐磨和抗电腐蚀能力较差。

现今流行的大型电机绝缘是多胶环氧粉云母带（含胶量为35.5%～36.5%），连续式液压或烘压成型。

（3）定子绕组在槽内的固定发电机运行时，定子线棒的槽内部分受到各种交变电磁力的作用。

上下层线棒之间的相互作用和定子铁芯的影响所产生的径向力起主要作用。

短路时线棒上所受的电磁力可达每厘米几千牛，线棒若不压紧就会在槽内出现双倍频率（100Hz）的径向振动。

线棒电流与励磁磁通的相互作用还会产生一个与转子旋转方向相同的切向力，使线棒压向槽壁。

如果出现振动，就会使线棒和槽壁发生摩擦。

这不仅会使绝缘磨损，而且还会使绝缘产生积累变形，股线疲劳，导致绕组寿命降低。

不能使用金属部件绑扎固定绕组的端部，因为：○1金属结构部件中将感应涡流，这会产生附加损耗，可能会出现局部发热点。

○2金属结构部件也会产生振动，会导致松动，使周围的媒介物磨损。

因此，通常采用非金属支撑部件，如玻璃纤维模压板。

大的支撑托架用螺栓固定在铁芯端压板上。

支撑托架给玻璃纤维锥形箍环提供支撑。

绕组端线的振动必须受到限制，因其会使绕组铜导线产生疲劳裂纹。

如果水内冷绕组导线发生疲劳裂纹，则氢气将会泄漏到冷却水系统，由此导致特别严重的后果。

通过加速度计监控因支撑松弛导致的绕组端接振动的增加。

振动幅度在很大程度上取决于电流。

一段运行之后产生的支撑松动，可以通过紧固螺栓、插入或紧固槽楔或在线棒导体之间的绝缘中充入热固树脂消除。

3、机座与端盖机座的作用主要是支撑和固定定子铁芯和定子绕组，同时在结构上还要满足电机的通风和密封要求。

如果用端盖轴承，它还要承受转子的质量和电磁力矩。

氢冷发电机的机座除了满足上述一般发电机要外，还要能防止漏氢和承受氢气的爆炸力。

机座由高强度优质钢板焊接而成。

机壳和定子铁芯背部之间的空间是电机通风（氢气）系统的一部分，它的结构随通风系统的不同而异。

对定子为轴向通风的系统，机壳与铁芯背部之间的空间为简单风道。

对定子轴向分段、径向通风冷却的系统，常将机壳与铁芯背部之间的空间沿轴向分隔成若干段，每段形成一个环形小风室，各小风室相互交替地为进（冷）风区和出（热）风区。

各进风区之间和各出风区之间分别用圆形或椭圆形钢管连通，也有的将每个进风区都设有独自的进风管道，以减小各进风区的压力差。

图10 整体机座为了减少氢冷发电机通风阻力和缩短风道，冷却氢气的冷却器常安装在机座内的矩形框内。

冷却器一般为2~4组，其布置位置主要有立放在电机两端的两侧、立放在电机中部的两侧、横卧在电机上部两侧（背包式）三种型式。

端盖是电机密封的一个重要组成部分，为了安装、检修、拆装方便，一般端盖由水平分开的上下两半构成，采用钢板焊接结构或铝合金铸造而成，大容量的发电机常采用端盖轴承，轴承装在高强度的端盖上。

发电机的轴承与密封支座都安装在轴承上，这样做可以缩短转轴长度比具有良好的支撑刚度，由于轴承中心线距机座断面较近，使得端盖在支撑质量和承受机内氢压是变心最小，以保证可靠的气密性。

端盖与机座、出线盒和氢冷却器外罩一起组成“耐爆”压力容器。

端盖为厚钢板拼焊而成，为气密性焊缝，焊后进行焊缝的气密性实验和退货处理，并要承受水压试验。

上、下半端盖的和缝面的密封及机座把合面的密封均为密封槽填充密封胶的结构。

为了提高端盖和缝面的刚度，端盖和缝面采用双排连接螺栓。

4、定子出线和发电机出线盒定子出线导线杆是装配在出现瓷套管内的，组成了出线瓷套端子。