隐极同步发电机的设计Word下载.doc
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ElectromagneticDesign；
Temperaturerising；
Efficiency
III
目录
摘要 I
Abstract Ⅱ
第1章绪论 1
1.1课题研究的目的和意义 1
1.2隐极同步发电机的国内、外发展现状 2
1.3课题的研究内容 3
第2章隐极同步发电机的基本结构及设计原理 4
2.1隐极同步发电机的基本结构 4
2.1.1定子铁心 4
2.1.2定子绕组 4
2.1.3定子机座与端盖 5
2.1.4转轴 5
2.1.5转子绕组 6
2.1.6护环和中心环 6
2.1.7转子槽楔 6
2.1.8风扇和通风系统 7
2.2现代电力系统对隐极同步发电机的要求 7
2.2.1隐极同步发电机轴系自然扭振频率和承受电网冲击的能力 7
2.2.2大机组应具备承受高压线路单相重合闸和误并列的能力 7
2.2.3隐极同步发电机组的频率变化能力和快关问题 8
2.2.4大机组应具备吸收无功功率调峰能力和失磁异步运行能力 8
2.3大型隐极同步发电机的设计原理 8
2.3.1主要尺寸的确定 9
2.3.2磁路的分析 9
2.4通风系统 10
第3章隐极同步发电机的电磁设计 12
3.1基本数据 12
3.1.1额定数据 12
3.1.2定子绕组数据 13
3.1.3转子绕组数据 15
3.2磁路计算 16
3.2.1磁路尺寸 16
3.2.2空载磁势计算 21
3.2.3负载磁势计算 25
3.3有效材料的重量及电机常数 27
3.4损耗计算 29
3.4.1短路损耗 29
3.4.2空载损耗 31
3.4.3励磁损耗 33
3.4.4机械损耗 33
3.4.5总损耗和效率 34
3.5温升计算 34
3.5.1定子绕组和铁心的温升 34
3.5.2转子绕组的温升 38
3.6电抗、时间常数及短路电流的计算 42
3.6.1电抗 42
3.6.2时间常数 43
3.6.3短路电流 44
3.7电磁计算结果的分析 46
3.8本章小结：
47
结论 49
致谢 50
参考文献 51
附录A 52
附录B异步电动机的直接转矩控制原理与展望 63
第1章绪论
1.1课题研究的目的和意义
进入21世纪，电力仍然是最现代化的动力，是衡量一个国家经济发展水平的重要标志，到2000年底中国大陆发电设备总装机容量达到3.16亿KW,年发电量达13500亿KWh均列世界第二位，但我国的人均发电装机容量只有0.24KW，世界排名第80名以后年人均用电量1042kWh不到世界平均水平的一半；
全国还有近10个无电县，还有近6000万人口没有用上电。
从1996年下半年开始，全国发电量增长速度有所减缓，电供过于求。
这是与我国用电结构及工业调整有关，并非电力供应已真正满足。
发达国家人均发电设备占有量为2~3KW，人均年用电量9000-20000KWh,中国大陆目前人均发电设备及发电占有量，与之相差10倍以上，比香港、台湾地区也相差5倍以上[1]。
2003年初国家调整电力建设规划，计划“十五”后3年内每年新开工电源建设不少于2.5万MW，因此，全国掀起了电源建设的热潮，2003年进入电力建设市场的资金超过2000亿元，许多省市都提出了庞大的电力建设规划，2003年内蒙古半年内就提出规划项目50个，规划装机容量达4万MW。
2004年全国发电设备产量达到7.13788万MW，又较2003年增长92.9%。
上海隐极同步发电机有限公司2003年生产了10100MW隐极同步发电机，2004年生产了15080MW隐极同步发电机[3]。
至2004年底上海共生产了约10万MW隐极同步发电机。
因此需要我国电力行业的人才在本国技术的基础上引进并消化吸收国外的先进技术自主创新，使我国的发电技术得到提高。
隐极同步发电机是发电厂的关键设备，是电能的直接生产者，我国约有80%发电量来自于隐极同步发电机，所以隐极同步发电机的发展在电力工业的发展中占有重要地位。
目前由我国自主制造的超超临界1000兆瓦隐极同步发电机是国际上功率最大、最先进的巨型火力发电机，每年可节约2亿吨煤炭，但面对激烈的市场竞争，我国的技术能力与发达国家相比仍有很大的差距，发达国家在80年代之后隐极同步发电机技术就已经成熟，并实现了系列化、标准化，已能满足电力工业的需要，这就要求我们要在深入了解国家产业结构的基础上提高企业的核心竞争能力、提高我们的原创能力，把我国的隐极同步发电机产业做的更大更强，这也是当务之急，本论文针对大容量隐极同步发电机的基本结构及其设计发法进行了研究进行了设计鼓励我们这些电机专业的毕业生也应该对自己提出了更高的要求，不断学习，积极进取，加强创新能力，为我国的电力事业贡献自己的力量。
1.2隐极同步发电机的国内、外发展现状
近年来，一些发达国家可开发的水力资源日趋枯竭，火电站又有建厂快、投资少的优点，因而大多数国家以建设火电站为主，而石油资源日趋枯竭，有些国家又缺乏石油资源，迫使许多国家发展原子能电站，这些都促使隐极同步发电机的发展蒸蒸日上。
在产品方面：
50年代，大型隐极同步发电机的单机容量多在100~200MW，60年代增至300~600MW，70年代起，已先后制成800~1300MW的机组。
建国以来我国的隐极同步发电机产业有了飞速的发展，70年代以前的发展情况如表1-2-1所示，其中大部分隐极同步发电机是我国自行研制或在国外先进技术的基础上结合中国的国情优化设计的，我国在1986年研制成300MW双水内冷和全氢冷隐极同步发电机的基础上，1989年又研制出了优化型300MW水氢冷隐极同步发电机，并投入运行，600MW的单机也逐渐进入倒了电力系统。
这些电机的主要性能也达到了国际先进水平我国的发电机制造业也达到了国际先进的水平[2]。
预计到2050年我国约有70%的发电量仍是由隐极同步发电机发出的，在不断发展的大机组、高参数、高度自动化的大电网中大型隐极同步发电机的设计制造，还有很多新的问题有待研究。
表1-2-1国产隐极同步发电机单机容量增长情况
时间
1954
1959
1960
1969
1970
1971
型号
QF-6-2
QFQ-50-2
TQN-100-2
QFS-125-2
QFQS-200-2
QFS-200-2
QFS-300-2
单机容量（MW）
6
50
100
125
200
300
冷却方式
空冷
氢外冷
双水内冷
定子水冷，转子氢内冷双水内冷
国外发达国家隐极同步发电机技术进入80年代之后技术已经成熟。
产品定性型，实现了系列化、标准化，产品技术经济性能先进，运行可靠，能充分满足电力工业的需要，但是，自80年代以来，由于巨型机组暴露出的一些问题，加之电力工业对七轮发电机的需量增长减缓，国外隐极同步发电机工业从鼎盛时期的高速发展走向平稳发展阶段，基本上停滞不前。
最明显的是美国的GE公司和西屋公司。
在70年代，GE公司和西屋公司隐极同步发电机的年产量都突破20000MW大关，进入80年代后期后产量就急剧下降，目前更是一蹶不振。
欧洲一些公司和苏联“电力”厂的情况也有些类似。
从70年代起，核电单机容量的增长速度就超过常规机组。
进入80年代后，国外许多公司都研制成功1000MW级及以上的核电机组，投运的许多核电机组的单机容量也超过1000MW。
相比之下，投运的常规机中仍以500-600MW级机组为主力机组。
但是，目前核电隐极同步发电机的发展速度已减缓，甚至停滞不前，而自70年代后期开始，空冷隐极同步发电机由于采用了一些列的新术，其技术性能得到了迅速提高，其额度运行效率已可以与同容量级的氢冷隐极同步发电机相匹敌。
在70年代至80年代，国外相继制成一批1000MW级的大型隐极同步发电机（包括核电隐极同步发电机）。
但运行后初期这些机组普遍可靠性不高，机组强迫停机率高，可用系数较低。
一般都要经过5年左右的改造完善才能稳定运行。
因此从70年代开始，国外针对这一问题，广泛开展了可靠性研究工作，开展了大型发电机组的运行监测和事故诊断研究工作，并逐渐在一些大机组中得到了应用。
目前1000MW级的隐极同步发电机的可用系数以达到99%左右大型隐极同步发电机的强迫停机率已降至0.04%-0.4%。
大修间隔可达到5年，机组寿命可达35-40年[4]。
目前，国外隐极同步发电机的最大单机容量已达1710MVA（4极）和1412MVA（两极）
1.3课题的研究内容
本论文的主要研究内容包括三部分：
第1章明确本论文的研究目的以及研究的意义，通过查阅大量的相关资料了解了隐极同步发电机的国内、外的发展现状。
第2章对隐极同步发电机的基本结构做了详细的介绍，并明确了设计原理，进一步了解了现代电网对隐极同步发电机的要求。
第3部分主要是对200MW空冷隐极同步发电机做了详细的电磁设计，并将计算的效率、温升、电抗等与给定值进行比较，分析误差原因以利于以后的工作中对参数的选取。
第2章隐极同步发电机的基本结构及设计原理
2.1隐极同步发电机的基本结构
隐极同步发电机是由定子铁心、定子绕组、定子机座与端盖、转轴、转子绕组、护环和中心环、风扇，集电环和电刷以及通风系统组成的，虽然随着容量与冷却技术的发展，结构上出现了一些变化，但是空气冷却的隐极同步发电机所采用的结构仍然是其他各种冷却方式的隐极同步发电机结构的基础，下面将其结构具体介绍如下。
2.1.1定子铁心
定子铁心是构成磁回路和固定定子绕组的重要部件，要求其导磁性能好，损耗低，刚度好，振动小，并在结构及通风系统布置上有良好的冷却效果。
定子铁心的结构包括冲片、铁心和定位筋等，定子冲片一般是扇形的，用0.35mm或0.5mm厚的硅钢片冲制，冲后涂刷1611或H52硅钢片漆。
常用硅钢片牌号中热轧为D41或D42；
冷轧的为D330.由于隐极同步发电机定子铁心轭部损耗较大，所以当采用由晶粒取向冷轧硅钢片冲制的扇形片时，通常使铁心轭部磁通的方向顺着硅钢片的轧制方向，并且冲片的夹角不宜大于70O。
铁心是由冲片叠压组成，沿轴向分成很多叠片段，每段3至6厘米，段间设8毫米至10毫米宽的径向通风沟。
一般在每段叠片的中部以及靠近两端处加垫0.2毫米厚的绝缘片，以限制片间绝缘损坏时可能烧伤铁心的短路电流值，铁心一般均用径向通风，其通风结构应与电机的通风冷却系统相配合。
为了改善端部的磁场分布，铁心两端设有阶梯式的叠片段。
有的电机还在这几段冲片的齿中间冲有狭长槽，以减低端部漏磁在齿中引起的涡流损耗。
定位筋是用以固定铁心。
2.1.2定子绕组
定子绕组除较小容量的电机有采用框式的线圈外，通常采用兰式双层短距叠绕组，每一线圈由两根条形线棒组成，其形式如图2-2所示，表面冷却的线棒由若干根实心股线组成，内部冷却的线棒则由若干根实心和空心的混合组成，在槽内用槽契做径向固定，端部用绑扎或压板固定，也可用二者结合固定方式。
图2-2定子绕组的结构图
2.1.3定子机座与端盖
机座应具有足够的刚度和强度，使其在加工、运输、起吊和运行中受到各种力和转矩的作用时，不产生不允许的变形。
机座采用焊接结构。
当定子铁心和机座为弹性联结时，应使机座的固有频率与2f即100HZ相差隐极同步发电机的转轴一般是铸成整体的，但也有个别采用组合式转轴。
转轴的本体部分作为磁极，用专门的铣床或龙门刨床加工出若干槽子，以便放置励磁绕组，无槽的大齿为磁极极身。
转子在运行和超速实验时产生的应力是较高的，因此转轴铸件要用机械强度较高的合金钢来制造。
2.1.4转轴
隐极同步发电机的转轴一般是铸成整体的，但也有个别采用组合式转轴。
转轴的本体部分作为磁极，用专门的铣床或一般的龙门刨床加工出若干槽子，以便放置励磁绕组，无槽的大齿为磁极极身。
图2-3为转子槽已加工完的转轴。
图2-3转子槽已加工完的转轴
2.1.5转子绕组
转子采用同心式绕组，由若干个线圈组成。
气体表面冷却的转子线圈结构较为简单，他是用裸铜线连续绕制，然后在粘上或垫上匝间绝缘的转子绕组槽部用槽契固定，端部径向用护环、轴向用垫块和中心环固定，绕组端部沿轴向略有锥度。
有些空气或氢冷却隐极同步发电机转子线圈采用含铜0.03~0.1%的铜线来绕制；
含银铜线具有比一般铜线较好的抗蠕变性能和较高的屈服点。
2.1.6护环和中心环
护环套在转子绕组端部外面，使其在离心力作用下不至沿径向位移。
护环的两端分别热套在转子本体及中心环上，中心环（连同绝缘垫块）是用来阻止转子绕组端部沿轴向外移的。
常用的有刚性固定的护环—中心环和悬挂式的护环—中心环两种。
2.1.7转子槽楔
转子槽楔用以固定转子线圈，承受线圈的离心力。
但由于处于转子表面，如果采用适当的材料也可以使其成为阻尼系统的一部分，此时倍频电流将在其中产生损耗并使其发热。
为使槽楔受力均匀，且使阻尼回路畅通，槽楔的鸽尾斜面和转子齿的斜面必须紧密接触。
2.1.8风扇和通风系统
隐极同步发电机中使用的风扇有后倾叶片离心式和旋浆式两种。
离心式风扇通常用于25MW以下的电机。
压头较高，流量较小，机械效率约为25%~30%。
旋浆式风扇通常用于50MW以上的中大容量发电机，压头较低，流量较大机械效率约为40%~60%。
隐极同步发电机通常采用闭路循环通风系统。
这种系统具有防尘、防潮、冷却介质不受环境温度影响和一定的噪声隔离能力等优点。
以氢作为冷却介质时，发电机机座和端盖等在结构和机械强度上应该满足防爆要求。
我国用的较多的是压入式两进三出径向闭路循环通风系统，在风扇的作用下，冷却介质被压入定、转子以冷却定子绕组、铁心和转子绕组，然后经由冷却器冷却后又进入风扇。
压入式系统的特点是定子绕组端部和铁心端取得较好的冷却。
。
另一类是抽出（或吸入）式闭路循环通风系统。
此时冷却介质被风扇从有效部分抽出，然后经由冷却器冷却后再进入定子铁心背部。
抽出式系统的特点是进入有效部分的冷却介质温度不受风扇损害的影响。
2.2现代电力系统对隐极同步发电机的要求
现代电力系统是以大电厂、大机组、高电压、高自动化程度为标志的现代化大电网。
必须实现大电网与大机组的协调，以提高大电网与大机组的可靠性，充分发挥他们相互作用的有利因素与技术经济效益，防止由于他们的相互影响、连锁而造成大电网大机组的事故。
现将我国电力部门对大型隐极同步发电机的技术要求简单列出如下：
2.2.1隐极同步发电机轴系自然扭振频率和承受电网冲击的能力
首先，要有大机组每一段轴的自然扭振频率数据。
其次，大机组的每一轴段的自然扭振频率不应处在工频的0.9至1.1及1.9至2.1范围内。
最后，要明确一个部门提供包括发电机与汽轮机作为一个整体的各段数据，还要求同时提供轴系扭应力对其寿命影响或疲劳损耗曲线。
由于电网稳定破坏是运行中不能完全避免的，要求大机组在其升压变压器阻抗假定为15%，联接的系统短路容量为4，300MVA，能承受20个震荡周期的失步运行。
短路承受震荡的限制条件在发电机失步短路运行时，应限制发电机电流及其转轴上力矩不超过当发电机出口三相或两相短路时的0.6~0.7倍。
2.2.2大机组应具备承受高压线路单相重合闸和误并列的能力
大机组应具备承受高压线路单相重合闸的能力，而不影响其可靠性。
误并列能力的要求是指，大机组在升压变压器阻抗假定为15%联接系统的短路容量为43000MVA时，机组在保证寿命期间能承受180度误并列5次，120度误并列2次，其扭矩不应超过其轴材料极限，联轴器、定子铁心机座及基础螺栓等应无显著损坏现象。
2.2.3隐极同步发电机组的频率变化能力和快关问题
技术条件应明确机组可以长期安全运行的频率范围为48.5至50.5HZ（国标隐极同步发电机频率范围为49~51HZ）。
大机组要根据系统稳定要求和机组条件具备快关的条件与装备（瞬时快关或持续快关）。
2.2.4大机组应具备吸收无功功率调峰能力和失磁异步运行能力
首先要求制造厂提供在不同冷却条件下，发电机的有功与无功功率曲线。
其次，在有功功率为额定值时，隐极同步发电机至少可以按功率因数为进相0.95的条件吸收无功功率。
所有新建火力大机组都要求具备一定的调峰能力。
要求从大机组及锅炉的设计上采取措施，锅炉争取在不需油助燃条件下，根据燃煤的媒质与挥发成份，明确最低负荷运行能力以及负荷变动的速度。
发电机的各部件热胀冷缩应做到不会影响绝缘和部件损坏，大机组除能适应负荷大幅度变动外还要求能满足隐极同步发电机组二班制运行的频繁起动工况。
这就需要隐极同步发电机转子各部件按寿命期间能满足一万次要求设计，定子、转子绕组绝缘应能经受10000次热循环试验。
大型发电机失磁后立即自动减负荷，有功功率在30秒内减到0.6标幺值，并在2分钟内减到0.4标幺值，定子和转子电流不大于1.0~1.1标幺值，允许运行10分钟[5]。
2.3大型隐极同步发电机的设计原理
现以型号为QF—200—2的空冷隐极同步发电机为例，叙述其设计发法，其技术数据如下：
额定容量:
235.294MVA
额定功率：
200MW
定子绕组连接方式：
YY
额定电压：
18KV
额定电流：
7547A
额定转速;
3000r/min
额定功率因数：
0.85
相数：
3
额定频率：
50HZ
绝缘等级：
F级（温升按B级考核）
冷却方式;
额定励磁电压;
253.73V
额定励磁电流：
1617.72A
短路比：
0.56
直轴同步电抗不饱和值:
210.47%
直轴瞬变电抗不饱和值：
22.47%
直轴超瞬变电抗不饱和值：
21.22%
直轴开路瞬变时间常:
16.32s
2.3.1主要尺寸的确定
隐极同步发电机电磁设计首先应根据以确定的产品容量、转速、规格和性能的要求，从国外的设计制造相近容量的经验中，选择发电机的合理系数（或称电机常数）从而选定出主要尺寸，包括发电机的转子的本体直径和长度的确定，定子铁心直径和长度的确定，定子槽数、绕组并联支路数和槽形的确定以及转子槽数和槽形的确定等。
在隐极同步发电机的设计中，多数以几个标准的转子外径尺寸作为电磁设计主要尺寸选取的起点。
转子有效部分的长度、气隙大小、定子铁心的直径、长
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