汽轮发电机结构原理讲义

QFSN-600-2-22C型发电机额定参数
额定出力 额定电压 额定电流 功率因数 转速 频率 相数 环境温度 额定氢压 定子接线 出线端子数 绝缘等级 667MVA/600MW 22KV 17495A 0.9 （滞后） 3000r/min 50Hz 3 5～40℃ 0.414MPa 2-Y 6 F级（温升按B级考核）
2）同步发电机对称负载运行 当定子接上对称的负载后，这时在负载电流产生了第二个磁势—— 电枢磁势。电枢磁势与励磁磁势相互作用形成负载时气隙中的合成磁势 并建立负载时的气隙磁场，因此，所谓对称负载时的电枢反应，即对称 负载时电枢磁势的基波对主极磁场基波的影响。 由对称三相绕组中流过的三相对称负载电流所产生的电枢磁势的基 波是一个旋转磁势，其转速n=60f/p，以f=pn1/60代入则n=n1，即电枢磁 势基波的转速与励磁磁势的转速（电机转子转速）一定相等，且两者的 转向一致。由此可见，电枢磁势基波与励磁磁势同转速、同转向，彼此 在空间上始终保持相对静止的关系。正是由于这种相对静止，才使它们 之间的相互关系保持不变，从而共同建立数值稳定的气隙磁场和产生平 均电磁转矩，实现机－电能量转换。这种“定、转子磁势相对静止”是 一切电磁感应电机能够正常运行的基本条件。
定子线棒由矩形的空心和实心股线混合编织而成，定子绕组就是通 过空心股线中的水介质来冷却的。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滑环 端的汇流母管，并经绝缘引水管进入线圈。在发电机的集电环端设有一 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， 即从集电环端流向汽机端。 汇流母管是直接接地的，从线圈到汇流母管间的连接是采用单个加 强型绝缘管，这种绝缘管设计上能够受发电机的运行电压，这就保证了 线圈的对地绝缘。但对于这种结构，测量线圈绝缘却是不方便的。 1－槽底垫料； 2－主绝缘； 3－实心线； 4－层间垫料； 5－半导体弹性波纹板； 6－空心线； 7－传动垫条； 8－滑动楔块 ；9－锥形楔销
定子绕组
对于大型汽轮发电机主要采用三相双层绕组，并采用短距分布式叠绕组，双 层绕组构成如下图。在每个槽内有上下两个线圈边，线圈的一个边嵌在某个槽的 下层，则另一边则嵌在相隔y1槽（节距：一个线圈的有效边在定子铁芯上跨的槽 数）的上层。采用双层绕组可以很方便地把绕组型式设计成短距绕组。短距绕组 具有改善电势波形和节约材料的优点。
e = Bmlv sin ωt = Em sin ωt
Bm为正弦波磁密的最大值，l为磁力线切割导体的长度，v为磁力线切割导体 的线速度，ω＝2πf，f为电势的频率。
由于发电机定子三相绕组在物理空间布置上相差120°，那么转子磁场的 磁力线势必将先切割A相绕组，再切割B相，最后切割C相。因此，定子 三相感应电势大小相等，在相位上彼此互差120°电角度。
发电机本体结构
1、发电机基本构成
发电机结构原理图
发电机剖视图
汽轮发电机主要由定子、转子、端盖和轴承等部件组成，具体的发电机结构见上图 发电机定子 发电机定子主要由机座、定子铁芯、定子绕组、端盖等部分组成。 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。 端盖是发电机密封的一个组成部分，结构如图1－13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。
注：叠绕组－各线圈的末边均返回至 邻近的次一个线圈的起边，整个绕组 呈环环相叠的形象，称为叠绕组 分布绕组－为了散热，发电机定 子绕组均匀分布在整个定子的内表面上， 称为分布绕组
定子绕组的端部结构由嵌入铁芯槽内的绝缘线棒在端部联结成的线 圈，绕组端部为篮式结构，并且由引线环连接成固定的相带。采用连续 式F级环氧粉云母绝缘系统，表面有防晕处理措施。轴向可沿支架滑销 方向自由移动，减少由于负荷或工况变化而在定子绕组和支撑系统中引 起的应力，满足机组调峰运行的要求。 在负载运行条件下，定子绕组会产生自感应涡流损耗，为减少这种 损耗，定子线棒采用了罗贝尔换位形式。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。
E0 = 4.44 f N 1k N 1Φ 0
同步发电机空载时的时－空矢量图
上图为同步发电机空载时的时－空矢量图，Ff1为励磁磁势的基波，Bf1为气隙磁通密度的 基波，两者同相位，其正波幅均处于转子直轴正方向上，且与转子一起以同步转速（ω1＝2πf） 旋转。由磁通密度波Bf1与定子任一相相交链的磁通量是一时间变量，用Φ0表示，由Φ0感应 于该相的电势用E0表示，相量E0滞后于Φ0 90°。
QFSN-600-2-22C
型汽轮发电机结构原理简介
概述
我公司发电机为东方电机股份有限公司引进日本日立公司技术，并合作生产的 QFSN-600-2-22C型汽轮机直接拖动、隐极式、二极、三相同步汽轮发电机。发 电机冷却方式为水－氢－氢，采用机端自并励静止励磁。 水氢氢冷却方式：定子线圈（包括定子引线）直接水冷、转子线圈直接氢冷（气 隙取气方式），定子铁心氢冷。发电机采用密闭循环通风冷却，机座内部的氢气 由装于转子两端的轴流式风扇驱动。集电环和电刷空气冷却，两集电环间设有离 心式风扇。 轴承为强迫润滑（由汽机润滑油系统供油）。 发电机配有氢油水控制系统，以提供和控制发电机冷却用氢气，密封油和定子线 圈冷却用水。 发电机型号表示意义： Q－汽轮机拖动 F－发电机 S－定子绕组水冷 N－转子绕组氢内冷 600－额定 容量 2－两极 22－电压22KV C－特征号，表示三段机座，中心高760m(三段式 机座－即沿轴向将机座分为三段，中间段为机座主体，呈圆筒形用以支撑铁心， 两端部分呈方盒形用以设置氢气冷却器并支撑端盖轴承，分段运输至电厂再组装 成一整体。）
机座弹性隔振结构
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无机 绝缘漆。冲片上冲有嵌放线圈的下线槽及放置槽楔用的鸽尾槽。扇形冲片利用定子 定位筋定位，通过球墨铸铁压圈施压，夹紧成一个刚性圆柱形铁芯，用定位筋固定 在内机座上。齿部是通过压圈内侧的非磁性压指来压紧。边段铁芯涂有粘接漆，在 铁芯装压后加热，使其粘接成一个牢固的整体，进一步提高铁芯的刚度 为了减少端部漏磁通在压圈和边段铁芯中引起的发热以及在端部铁芯中的附加 电气损耗，在压圈上装有全铜屏蔽；边端铁芯为阶梯状以增加铁芯内园与转子之间 的气隙；并在齿上冲有小槽。转子绕组端部存在大量的漏磁通，另外，发电机运行 时定子绕组在铁芯端部也产生大量的漏磁通，这些漏磁通主要是垂直进入端部定子 铁芯，从而感应出垂直于轴向的涡流，引起铁芯端部过热。发电机在欠励条件下运 行时，定子绕组会产生更多的漏磁通，使铁芯端部过热更为严重。为了减少端部漏 磁通在压圈和边段铁芯中引起的发热和在端部铁芯中的附加电气损耗，东方电机公 司采取了以下措施： ①铁芯端部设计成阶梯状 铁芯孔两端逐渐放大，这可以防止转子漏磁通量过多聚集在定子铁芯端部，而 且可以使部分漏磁通转变成垂直于定子轴线的径向磁通，从而减少损耗降低端部过 热。 ②在转子线圈端部采用非磁性护环 通过励磁绕组护环的去磁作用，增加了漏磁通的磁阻，从而减少了转子端部漏 磁通对定子铁芯的影响。 ③在铁芯端部表面，采用一块铜防护板，既所谓的电屏蔽环
采用电屏蔽的目的是防止端部大部分轴向漏磁通穿过铁芯。因为铁芯端部采用阶 梯形后，压圈处的漏磁会有所增加，利用漏磁通能在铜防护板内产生的大量涡流，此 涡流的方向将阻止漏磁通穿过。而铜与用作铁芯端片的石墨铸铁相比，电阻率只有约 1/5，根据磁穿透深度定律，损耗降到大约1/2，而且铜的导热系数是石墨铸铁的5倍， 因而，铜防护板不会出现过热。 ④铁芯端部压圈和铁芯端板（压指）采用高电阻率、低导磁率材料 这种材料增大了铜防护板和铁芯间的磁阻，使漏磁通不易穿过铁芯，高电阻率又 使该部位涡流减小，故此部件也不会过热。 ⑤在铁芯端部扇形体上开槽 由于在铁芯端部扇形齿部开槽隙，使得涡流流动面积减少了约1/2，于是涡流 损耗减小了约3/4。 ⑥冷却风系统中，加强对端部的冷却。
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基础知识
1、工作原理 交流旋转电机主要分为同步电机和异步电机。同步电机主要用作发 电机，而异步电机主要用作电动机。所谓同步电机即指电机的转速为同 步转速（恒定值N0=60f/p ），而异步电机即指电机的转速不同于同步转 速（非恒定值）。
同步发电机的工作原理图
发电机主要有定子和转子两部分，定、转子之间有气隙，原理如上图所示。 定子上有AX、BY、CZ三相绕组，它们在空间上彼此相差120°电角度，每相绕 组的匝数相等。转子磁极（主极）上装有励磁绕组，由直流励磁，其磁通方向从 转子N极出来，经过气隙、定子铁芯、气隙，再进入转子S极而构成回路，如图 中的虚线所示。 用原动机拖动发电机沿逆时针方向旋转，则磁力线将切割定子绕组的导体， 由电磁感应定律可知，在定子导体中就会感应出交变的电势，即
空载定子电枢电流为零，电机气隙中只有转子电流（励磁电流）If 单独产生的磁势Ff和磁场，称为励磁磁势和励磁磁场。既交链转子又 经过气隙交链定子的磁通称为主磁通，即空载时的气隙磁通（Φ0）， 或称励磁磁通。而只交链励磁绕组而不与定子绕组相链磁通称为漏磁 通（Φfσ），它不参与电机之间的能量转换过程。
当转子以同步转速n1旋转时，主磁通切割定子绕组感应出频率为f=（pn/60） 的三相基波电势，其有效值为： 。 这样，改变励磁电流If就可以改变主磁通Φ0，空载电势E0值也将改变。从 磁路计算公式可知，当一台电机的各段铁芯和气隙的尺寸以及铁芯的材料决 定后，它的磁性特性也就确定不变了。
eA = Em sin ωt eB = Em sin(ωt −120°) ec = Em sin(ωt − 240°)
如果某发电机有p对极，转子每分钟转数为n，则转子每秒钟旋转n/60转，那 么感应电势将每秒交变（pn/60）次，即频率为。由于汽轮发电机的极对数为 1，所以n＝3000r/min情况下，f＝50Hz。 2、磁场与磁势 交流发电机的磁通分为两部分，一部分与定、转子绕组同时交链，称为气 隙磁通，是电机进行机电能量转换的媒介；另一部分仅与定子绕组或仅与转 子绕组相交链，称为漏磁通。气隙磁通的路径是：从定子磁轭经过定子齿、 空气隙到转子，再经过空气隙、定子齿回到定子磁轭，形成闭合磁路。气隙 磁通可由定子磁势建立，也可由转子磁势建立。当发电机中的定、转子绕组 中都有电流时，则由定、转子磁势共同建立。 1）同步发电机空载运行 当同步发电机被原动机拖动到同步转速时，转子绕组中通入直流励磁电 流而定子绕组开路时，称为空载运行。
①
②
发电机端盖轴承结构图
③
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⑤
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。 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 发电机定子采用径向通风，将机壳和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，各小风室相互交替分为进风区和出风区。这 些小室用管子相互连通，并能交替进行通风。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。 机座隔振——定子弹性支撑 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 其它因数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 采用卧式弹性隔振结构。弹性隔振结构形式如下图所示：在定位筋的背部装 弹簧板，弹簧板通过垫块，用螺栓固定在定位筋的背部，弹簧板中部与机座 内的隔板相连，构成弹性隔振结构。