大型发电机结构说图解doc.docx

大型发电机结构说图解doc.docx

《大型发电机结构说图解doc.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大型发电机结构说图解doc.docx（52页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

大型发电机结构说图解doc

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4300MW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~0.5mm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）在铁芯端部个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，压圈出的漏磁会有所增多，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考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%～%），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，通常采用飞金属支撑部件，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，每段形成一个环形校风室，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

讲每个进风区都设有独自的进风管道，以减小个进风区的压力差。

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都在装在轴承上，

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

定子出现导线杆是装配在出现瓷套管内的，组成了出线瓷套端子。

出线穿过转载出线盒

上的瓷套端子，将定子绕组出线映出机座外，并保证不漏氢漏水。

出现瓷套端子共有

6个，

均为水内冷。

其中3个主出线端子，另外三个为中性点出线端子。

出线瓷套端子对机座和水

路都是气密的。

以每个出现瓷套端子为中心，从出线盒向下吊装着若干组穿心式电流互感器，分别提量

给测量仪和继电保护使用。

5、氢冷却器

发电机的氢冷却器放在机座两侧或顶部的外罩内。

每只氢冷却器有独立的水支路。

当停

运一只水支路是，冷却器能带80%～100%的负荷运行。

氢冷却器外罩为钢板焊接结构，对称布置安装在发电机机座的两端或顶部。

这样既可减

少发电机轴向长度，又可运输时另行包装，减少定子运输尺寸和质量。

（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。

由于发

电机转速高，转子受到的离心力很大，所以转子都呈细长形，且制成隐极式，以便更好地固

定励磁绕组。

主要介绍氢内冷转子的结构特点。

1、转子铁芯

大容量的汽轮发电机转子铁芯采用机械强度高、导磁性能好的优质合金钢锻件（如镍铬

钼钒、镍铬钒、钒镍钼等），经检验合格后，经加工制成。

转子的直径最大已达1.25m,其中

心孔的切向应力已接近目前锻件允许应力的极限。

图11氢冷发电机转子

转子上沿轴轴向铣有安放转子励磁绕组的凹槽。

转子槽型有矩形槽、梯形槽、阶梯形槽，

这三种槽形在大容量发电机上都有采用。

槽的排列方式一般为辐射式（图12），槽与槽之间

的部分为齿。

未加工的部分通称为大齿，其余称小齿。

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月牙槽，使大齿区域和小齿区域两个方向的刚度相同。

图12转子线槽分布图

（a）转子磁极横断面；（b）转子轴线剖视

二极转子表面铣出嵌线槽后，磁极轴线上的大齿部分刚比极间开槽区的大，当转子旋转

时，受自重和惯性转矩影响，依转子位置的不同，转轴弯曲程度也不相同。

转子每转一圈，

弯曲程度的大小要变化两个周期，将产生双倍频振动。

为此，对大型的细长转子，常在大齿

表面上沿轴向铣出一定数量的圆弧形横向月牙槽，使大齿区域和小齿区域两个方向的刚度接

近相等，降低转子双倍频振动，如图12所示。

2、励磁绕组

励磁绕组线圈的每一匝都是由半匝或多根半匝导线构成，

在线匝的端部中间或底部引出

接头。

在每个半匝嵌入槽中后，用铜焊将接头焊接在一起，形成一个串接的线圈。

励磁绕组

的线圈是用还有少量银的高导电率铜线绕制而成，

可以改善铜线的抗蠕变性能。

冷却气体通

过径向排列的转子槽排出。

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、转子护环

护环对转子绕组端部起着固定、保护、防止变形的作用。

承受着转子的弯曲应力、热套

应力和绕组端部及本身的巨大离心力。

护环通常用非磁性高合金奥氏体钢锻制而成，所以钢

种大多属Mn—Cr系列。

鉴于过去常用的18Mn5Cr、18Mn4Cr护环钢在湿度较高环境中易于发

生应力腐蚀产生裂纹。

近年来的发展以证明，含有18%锰（Mn）及18%铬（Cr）的奥氏体合

金钢可以避免应力腐蚀裂纹。

必须指出的是，护环的破裂会导致电机的严重损坏，至少需要

几个月的停机检修。

护环的嵌装有以下三种基本形式：

（1）护环只通过中心环嵌装，护环端头与转子本体脱离，叫做分离式嵌装。

（2）护环同时嵌装在转子本体和中心环上，叫做两端固定式嵌装。

（3）护环只嵌装在转子本体上，叫做悬挂式嵌装。

脱离式嵌装的护环边端与绕组之间有相对位移，只适用与小容量电机。

两端固定式嵌装

的护环，采用弹性中心环后，可用于较大容量的电机。

大容量汽轮发电机常采用悬挂式嵌装

的护环。

4、风扇

两个同样的风扇装于发电机转子的两侧，用以加快氢气哎定子铁芯和转子部位的循环，

用以提高冷却效果。

通常采用离心式或轴流式风扇。

5、中心孔

转轴内部通有长轴向中心孔，对应与本体部分的中心孔用导磁中心轴填塞，以减少铁轭

部磁阻。

（三）发电机励磁控制系统

同步发电机的励磁系统主要由励磁功率单元和励磁调节器（装置）两大部分构成。

励磁

功率单元，是指同步发电机转子绕组提供直流励磁电流的电源部分。

而励磁调节器，则是根

据控制要求的输入信号和给定的调节准则，控制励磁功率单元输出的装置。

由励磁调节器、

励磁功率单元和发电机本身一起组成的整个系统，称为励磁控制系统。

1、励磁系统的主要作用

励磁系统是发电机的重要组成部分，它对电力系统级发电机本省的安全稳定运行有很大

的影响。

励磁系统的主要作用是：

（1）发电机正常运行是，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，是无功功率分配合理；

（3）当系统发生突然短路故障时，能对发电机的进行强励，以提高系统运行的稳定

性，短路故障切除后，使电压能够迅速恢复正常；

（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短路故障跳闸后，以及正常停机能对发电机自动灭磁。

2、励磁方式

获得励磁电流的方法称为励磁方式。

目前采用的励磁方式分为两大类：

一类是用直流发

电机作为励磁电源的直流励磁机励磁系统；另一类是用硅整流装置将交流转化成直流后供给

励磁的整流器励磁系统。

（1）直流励磁机励磁

直流励磁机通常与同步发电机同轴，采用并励或者他励接法。

采用他励接法时，励

磁机的励磁电流由另一台被称为副励磁机的同轴的直流发电机供给。

如图13所示。

图13直流励磁机励磁

（2）静止整流器励磁

同一轴上有三台交流发电机，即主发电机、交流主励磁机和交流副励磁机。

副励磁机的

励磁电流开始时由外部直流电源提供，待电压建立起来后再转为自励（有时采用永磁发电

机）。

副励磁机的输出电流经过静止晶闸管整流器整流后供给主励磁机，而主励磁机的交流

输出电流经过静止的三相桥式硅整流器整流后供给主发电机的励磁绕组。

（见图14）

图14静止整流器励磁

（3）旋转整流器励磁

静止整流器的直流输出必须经过电刷和集电环才能输送到旋转的励磁绕组，对于大容量

的同步发电机，其励磁电流达到数千安培，使得集电环严重过热。

因此，在大容量的同步发

电机中，常采用不需要电刷和集电环的旋转整流器励磁系统，如图15所示。

主励磁机是旋

转电枢式三相同步发电机，旋转电枢的交流电流经与主轴一起旋转的硅整流器整流后，直接

送到主发电机的转子励磁绕组。

交流主励磁机的励磁电流由同轴的交流副励磁机经静止的晶

闸管整流器整流后供给。

由于这种励磁系统取消了集电环和电刷装置，故又称为无刷励磁系

统。

图15旋转整流器励磁

3、600MW发电机励磁系统

600MW的汽轮发电机的励磁电流约为4000～6000A，更大的发电机可达上万安，已不可

能采用同轴直流励磁机来供给。

因为直流励磁级机的极限制造容量，已经不能满足大容量机

组的励磁要求。

因此，对于大容量的汽轮发电机的励磁，只能采用交流电源，经硅整流后供

给励磁系统。

根据交流电源的来源不同，大体可以分为两大类。

第一类，交流电源来自与主机同轴的交流发电机，经整流后，供给主机的转子绕组。

此

交流发电机称为交流励磁机。

这类励磁系统，按整流器是静止还是随发电机轴旋转，又可分为静止硅整流和旋转硅整

流。

而旋转硅整流励磁方式，因其硅整流元件和交流励磁机电枢与发电机主轴一同旋转，

接给主励磁绕组供给励磁电流，不需要经过转子滑环级碳刷引入，故又称为无刷励磁方式。

第二类，交流电源来自接于发电机出口的变压器（励磁变压器），经硅整流后供给发电

机励磁。

在这种励磁系统中，励磁变压器、整流器等都是静止元件，故又称其为全静态自励

磁系统。

直

全静态自励系统，也有两种不同的方式。

如果只用励磁变压器并连载发电机出口，则称

为自并励方式。

如果除了并联的励磁变压器外，还有与发电机定子电流回路串联的励磁变流

器（串联变压器），两者结合起来共同供给励磁电流，则构成所谓自复励方式。

600MW级及更大容量机组的励磁系统，用得最多的是：

他励无刷励磁（旋转硅整流）和

自并励方式。

4、引进型汽轮发电机无刷励磁系统

引进型汽轮发电机无刷励磁系统，其励磁系统原理接线如图16所示。

它由带有旋转整

流器的交流励磁机（电枢3和磁场4）、永磁式副励磁机（电枢1和永磁磁极2）机自动电压

调节（AVR）三部分组成。

发电机的励磁电流有偶主励磁机旋转电枢3的交流输出经不控整

流器8整流后供给。

改变晶闸管导通角就可以改变主励磁机的励磁电流，使其输出电压变化，

竟如改变发电机的励磁电流。

而晶闸管的导通角，由自动电压调节器控制。

图16引进型汽轮发电机无刷励磁系统原理接线

1—永磁发电机电枢；2—永磁发电机磁场；3—无刷励磁机电枢；4—无刷励磁机磁场；5—旋转整流装置；

6—主发电机磁场；7—主发电机电枢；8—晶闸管整流装置；9—励磁机磁场开关

（四）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转化为热能，会引起发电机发热。

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。

发电机的发热部件，主

要是定子绕组、定子铁芯、转子绕组以及铁芯两端的金属部件，必须通过高效的冷却措施，

使这些部件发出的热量及时散发出去，保证发电机各部分温度不超过允许值。

在汽轮发电机的发展过程中，冷却方式的发展一直占有主导地位。

它关系到整个发电机

的技术经济指标以及运行的可靠性，各国对此问题都极为重视，一直在试验的基础上不断取

得新的进展，主要采用了冷却效果好的冷却介质，并发展了把冷却介质引入载流导体内的直

接冷却技术，即所谓绕组的内部冷却方式。

目前大型发电机的冷却介质主要有空气、氢气、水和油。

相对冷却能力的比较，水的冷

却能力最好。

在发电机冷却系统中，冷却介质可以按不