发电电动机的特点与启动介绍

发电电动机 陈涛摘抄一、发电电动机的特点抽水蓄能电站使用的发电机，即可作为发电机运行也可作为电动机运行。1、运行特点（1） 旋转方向。可逆式抽水蓄能机组的旋转方向在作发电运行与作抽水运行时相反，因此发电电动机需要适应双向旋转。双向旋转电机在通风冷却和推力轴承结构设计等方面带来许多与常规水轮发电机不同的特点。对于水泵和水轮机分开设置的三机式机组，通常发电与抽水工况下机组旋转方向相同，与其同轴相联的发电电动机也就只有一种旋转方向。（2） 抽水工况的启动方式。发电电动机和常规的水轮发电电动机一样是同步电机，在抽水工况下机组启动主要取决于电网容量及单机容量。当单机容量不大时，可以利用电动机转子磁极上设置的阻尼绕组产生的异步力矩启动。当单机容量较大时，为避免启动电流过大对电网的不利影响，必须采用其他方法。（3） 频繁启停。抽水蓄能机组在电网中通常担负调峰填谷任务，每天至少开停机两次。此外还经常担负调频、调相和旋转备用任务。机组在结构设计上必须要适应这种频繁启停要求，如定子机座、绝缘线棒设计时要考虑由此产生的温度变形和应力的影响。（4） 运行工况多变产生复杂的过渡过程。发电电动机除运行在发电、抽水工况外，还可运行在发电调相、抽水调相工况，这些工况依据电网需要而不断转换，在转换过程中将产生各种复杂的水力过渡过程、机电暂态过程，使机组产生比常规水轮发电机大而复杂得多的振动，对机组结构设计提出了更严格的要求。2、结构特点（1）总体布置发电电动机的总体布置形式与常规水轮发电机相同。几乎全部都是立式机组。（2）定子结构特点可逆式机组由于向高水头方向发展，使发电电动机额定转速不断提高，形成定子外径较小、定子铁芯长度高的特点，这就要求在通风冷却方面采取措施，以保证定子线棒沿铁芯长度的温度分布尽可能均匀。发电电动机由于频繁启停，温度变化剧烈，在定子机座、线棒在槽中固定等方面都要考虑防止产生热变形的措施。为增大定子机座的整体刚度可采用现场叠片和下线工艺，实现无合缝装配，并对定子机座、上下机架采用斜支撑代替传统的径向支撑。这种结构形式，当支撑受温度影响变形时，只会使定子机座、上下机架沿圆周方向扭转而不产生径向移动，从而保证发电机定、转子具有较好的同心度。定子线棒在槽中的固定可以采用特殊的垫片楔紧，以限制热变形。端部采用树脂软绳绑扎绕组，确保绕组固定牢靠。为防止停机时造成发电机内部结露，可在发电机风洞内装设除湿器或电热器。（3）转子结构特点发电电动机的阻尼绕组的设计与启动方式有关。采用异步启动时，为增加启动力矩和提高热容量，阻尼条常采用高电阻率的合金做成，阻尼环仍采用紫铜。采用异步启动的大容量机组，当阻尼条热容量不能满足要求时，常采用实心整体磁极，磁极表面开有纵向深槽以增大散热面积。（4）推力轴承结构特点单相旋转的电机，其推力轴瓦为偏心支撑，机组旋转后轴瓦倾斜形成油膜实现润滑。在双向旋转的发电电动机中，推力轴瓦只能对称支撑，形成油膜的条件差，导致散热困难，润滑性能差。发电电动机的主要特点是高负荷、高转速、散热条件差。为适应工况转换导致轴瓦温度快速变化引起的热变形，结构上可采取以下措施： 设置高压油顶起装置。在启停过程中低速旋转时投入，将高压油通过轴瓦中心孔射出，使镜板与轴瓦之间强制形成油膜，进行润滑，机组正常运转时退出。 选择性能优良的推力支撑结构。如十三陵抽水蓄能电站采用人工橡胶弹簧束支撑结构，天荒坪抽水蓄能电站采用小弹簧支撑结构，取得了良好的效果。 采用电磁推力轴承。在推力轴承支架上装有环状励磁绕组，通一直流电，形成向上的电磁力以减轻轴承负荷。二、发电电动机的启动方式和启动接线发电电动机在抽水工况时的启动方法，对三机式机组与可逆式机组有着本质上的差别。三机式机组由于发电和抽水工况的旋转方向一致，故抽水工况可以利用水轮机启动到额定转速并网，然后关闭水轮机进水阀，机组就进入抽水工况。对于可逆式机组，由于发电和抽水工况的旋转方向不同，抽水工况的启动方式要复杂得多。1、概述（1）选择启动方式考虑的因素可逆式发电电动机抽水工况的启动方式多种多样，它影响到机组结构、电站接线和厂房布置，也影响机电设备的投资。启动方式选择一般考虑以下主要因素： 电网特性。包括电力系统的规模、短路容量、允许的电压降和对机组快速响应的要求等。 机组性能。机组的单机容量、电磁参数、冷却方式、机械惯性时间常数、启动过程所能承受的温升、机械应力和热应力等。 电站条件。电站装机台数和规模、电气主接线、厂房设备布置条件、电站内部或近处有无可供机组启动用的水轮发电机组等。 制造水平。机组启动设备的制造水平和能力。 经济性。要求综合考虑设备、土建和运行引起的费用问题。（2）机组启动的物理过程旋转电机转动部分的运动方程式为 （1-1）上式可改写为 （1-2）式中 H机械惯性常数，kW s/kVA； n转速，额定值为nN，r/min； T驱动力矩的标幺值； TL启动阻力矩的标幺值，可视为与转速平方成正比； ta启动时间，s。由上式可见，机组的启动时间ta与惯性常数H成正比，与加速力矩（T-TL）成反比。图1-1为可逆式机组抽水工况启动的典型力矩曲线。图中T、TL、TN分别为驱动力矩、启动阻力矩及机组额定力矩；n、nN分别为机组的转速和额定转速。对比图1-1中曲线7、8可见，启动过程中转轮室压水可降低启动阻力矩，在额定转速条件下，转轮室有水时的阻力矩为机组额定转矩的30%左右，转轮室压水后此值即降为机组额定转矩的1%-5%。与式（1-2）相对应，机组在恒定力矩加速下，驱动力矩与启动时间关系关系曲线如图1-2所示。图中分别示出额定转速时启动阻力矩为2%和5%机组额定力矩下的两种情况。由图可见，驱动力矩过分加大，并不会使启动时间明显减少；而过分延长启动时间，也不会使所需的启动力矩明显降低。图中阴影线部分是较佳的选择范围，对应的启动时间相对值ta/H=3080，若机组的机械惯性常数H为4kWs/kVA，则对应的启动时间ta为120320s。可逆式机组抽水工况的启动方式，目前几乎都采用电气的启动方法，主要有异步启动、同步启动、半同步启动、同轴小电机启动和变频启动。2、异步启动异步启动是在机组励磁绕组短接情况下，直接将发电电动机接入电网，利用转子绕组内阻尼绕组所产生的异步力矩使机组启动并加速，在接近同步转速时加励磁，将机组拉入同步，完成启动过程。异步启动按所加电压方式不同可分为全压异步启动、变压器降压异步启动和电抗器降压异步启动。（1）全压异步启动这是最简单而又最经济的启动方式，其特点是启动力矩大、启动时间短、接线简单，启动过程中要从电网中吸收200%400%的机组额定功率，而且功率因数很低，引起较大的电压降，同时阻尼绕组将产生很大热量。虽然可以采用水内冷阻尼绕组或实心磁极结构加以改善，但这将使机组结构复杂和增大造价。此外，定子绕组短时也将承受较大的热应力和机械应力。上述缺点使采用全压异步启动受到限制，故通常仅适用于中、小容量机组。图1-3为全压异步启动接线，根据情况同步和换相可选在高压侧或发电机侧。（2）变压器降压异步启动通常利用主变压器的半电压抽头或第三绕组获得所需的降低电压进行异步启动，待转速接近同步转速时，切除降压电源，合上全压电源，加励磁拉入同步。以常用的半压异步启动与全压异步启动相比，前者的机组启动电流减小一半，启动力矩降为全压异步启动的1/4，相应延长了启动时间，小容量机组还可采用两台或多台机合用1台变压器的降压异步启动方案，逐台操作。图1-4为变压器降压异步启动接线。由图可见，为便于降压异步启动回路的切换操作需设置操作开关，多台机合用1台主变压器的降压异步启动还需设置降压启动母线，但可合用1台降压启动回路的操作开关。我国岗南水电站采用图1-4(a)的接线；密云水电站采用1-4（b）接线。变压器降压异步启动投励磁的时刻，除采用全压后投励磁外，还可在切换到全压之前投励磁，使机组拉入同步后再切换到全压，后者可减小切换过程对系统的冲击。变压器降压通常取自低压绕组的中间抽头，它超前于全电压600，为使全电压断路器合闸时仍能保持同步，应使切换断路器的时间间隔等于机组减速600电角度所需的时间。（3）电抗器降压异步启动在机组启动回路串接电抗器，待机组转速上升到接近同步转速后，加励磁拉入同步，然后将电抗器短路，完成启动过程。由于启动回路串接电抗，减小了冲击电流和系统压降，启动过程比较平稳，可用于200MW机组的启动。电抗器降压异步启动接线如图1-5所示，图中换相隔离开关位于发电机电压侧，也可位于主变压器的高压侧。（4）异步启动主接线举例图1-6为日本新冠抽水蓄能电站主接线。该电站装有2台105MVA/102MW抽水蓄能机组，采用主变压器第三绕组供电降压启动方式。3、同步启动（1）工作原理和特点同步启动又称背靠背启动，由本电站或临近电站的一台机组（常规机或抽水蓄能机均可）运行于发电机工况作为启动电源。启动前将启动机组与被启动机组通过启动母线互相连接，并分别加上适当的励磁。当启动机组由水轮机拖动开始旋转后，其定子出口即产生频率逐步增高的低频电流，经启动母线施于被启动机组，使被启动机组在同步转矩作用下随启动机组同步旋转，当加速到额定转速的80%时，投入各自的励磁调节器继续同步升速至额定值，同步并网，完成启动过程。同步启动母线可以设在主变压器低压侧，也可设在高压侧，前者称低压同步，后者称高压同步。若由一台机组作启动机组启动n台机组的称为1对n同步启动；若由任一台机组启动其余机组，又能被其余任一台机组启动时，称为互连同步启动。1对n同步启动逻辑关系简单、可靠；互连同步启动操作灵便，但逻辑关系复杂。同步启动具有下列特点： 启动过程不从系统接受电力，对系统完全没有影响。 邻近电站中、小容量机组只要满足启动条件（如容量、启动回路阻抗等），也可作为启动机组。 无论是启动机组还是被启动机组在启动前均需先加励磁，故励磁变压器电源需接在同步点断路器外侧或由厂用电源供电。 在转轮室压水启动条件下，启动机组容量仅为被启动机组容量的15%20%，只要启动机组容量足够，可同时启动两台机组。 需要设置启动母线，也可与其他启动方式（如变频启动、多台机组用1台变压器降压异步启动）共用启动母线，简化了接线和布置。 采用互连同步启动方式可提高灵活性，但将使操作及控制回路复杂化。 启动过程中频率变化范围为050Hz，要求断路器在低频范围内可靠地开断短路故障。（2）影响同步启动的参数同步启动分为启动同步和同步加速两个阶段。从启动开始至被启动机组与启动机组同步为至属于启动同步阶段，也是决定启动成败的关键。进入同步加速阶段后，只要启动电机的输入机械功率不超过作用于两机间的同步功率就能保持同步加速至额定值。影响启动同步阶段的主要参数是励磁电流及其比值、启动回路的阻抗和导页开启速度等。励磁电流及其比值若以产生空载额定电压的励磁电流为1.0pu.，则同容量机组同步启动时，启动发电机的励磁电流可取0.8pu.，励磁电流取值过大，将受励磁绕组容量限制，并可能造成主变压器过励磁。励磁电流取值过小，则会降低电磁力矩，导致启动失败。若启动回路阻抗较大，则需加大励磁电流，以获得启动所需的电磁力矩，如发电机的励磁电流可取1.21.3pu.；电动机的励磁电流可取1.0pu.。通常需根据具体条件，经试验确定最大值。无论励磁电流取值大小，电动机励磁电流与发电机励磁电流的比值约为0.70.8较合适。启动回路的阻抗启动回路的阻抗为启动机组、被启动机组及其连接回路的阻抗值之和。对于高压同步启动连接回路阻抗应考虑变压器阻抗，对于邻近电站机组启动还应考虑输电线路的阻抗。导叶开启速度导叶开启速度过大或过小都将导致失步或启动失败。启动初期应综合水轮机转矩特性、发电水头及启动时间要求，合理选择导叶开启速度。通常同容量机组一对一启动时，导叶每秒开启速度可取导叶全开度的0.5%0.6%。（3）同步启动的适用范围同步启动适用于各种容量机组启动，既可用于转轮室压水条件下启动，也可适用于水中启动。同步启动所需增加的附加费用一般要低于其他启动方式，尤其当机组台数较多时，同步启动的经济性更为优越。同步启动还通常与其他启动方式配合使用，以达到启动方式配置最完美的方案，因此获得了广泛的应用。（4）同步启动主接线举例图1-7为广州抽水蓄能电站（一期）的电气主接线，全站4台机组设1套变频启动装置，另设1对1高压同步启动作备用。图1-8为南斯拉夫巴其纳巴斯塔（Bajina Basta）电站电气主接线，这是由邻近电站小机组进行同步启动的典型接线。邻近电站小机组容量占被启动机组容量的32%，通过242kV线路做启动母线。4、半同步启动（1）工作原理和特点半同步启动又称异步同步启动或低频启动，是异步启动与同步启动组合的启动方式。启动时，将启动机组与被启动机组在电气上互相连接，在不加励磁状态下先启动发电机，当转速上升至额定转速的80%时，给发电机加励磁，使发电机端电压上升到大约60%70%额定电压，此电压加在被启动机组上，产生异步转矩使电动机启动并加速，与此同时发电机则减速，当两者转速接近时给电动机加励磁，使与发电机同步。之后，电动机在发电机驱动下同步加速到额定状态。电动机同步并网后断开发电机，完成启动过程。半同步启动方式的启动过程特性见1-9。半同步启动具有下列特点： 与同步启动相同，启动过程与电网断开，对系统完全没有影响。 被启动机组应能适应异步启动要求，阻尼绕组要有足够的热强度和机械强度。 与同步启动不同的是没有启动同步阶段，当逐台依次连续启动时发电机不需要停机即可启动下一台机组，故可缩短逐台启动投入抽水工况运行的启动时间。 启动机组的容量要大于被启动机组容量的80%，启动时间约35min。 启动加励磁过程较同步启动复杂。（2）半同步启动的适用范围半同步启动适用于各种容量机组的启动，所需增加的附加费用与同步启动方式相同。由于半同步启动过程需分别操作两台机组，控制回路较复杂，因此很少采用。5、同轴小电机启动(1)工作原理和特点同轴小电机启动是通过装在发电电动机顶部的一台小容量绕线式异步电动机进行启动和加速的。它比主机一般要少1-2对磁极，相应的同步转速比主机额定转速要高。为了调节转速，需在小电机的转子回路接入液体可变电阻器，并有独立的循环冷却系统，供启动过程中液体的冷却。启动过程中调节液体电阻器，使小电机保持一定的转矩启动主机，当主机接近同步转速时，进行同步并网，切断小电机电源完成启动过程。同轴小电机启动具有下列特点： 由于小电机与主机同相连，1台小电机只能启动与之相连的发电电动机，故独立性强。 启动电机容量与主机转动惯量、启动和加速时间有关。在转轮室压水条件下启动电机容量约为主机容量的5%8%。 小电机电源取自电网或厂用电，对电网的影响程度远比异步启动小得多。 不需要设启动母线，但要配置电源开关设备、液体可变电阻器及其冷却系统等设备，增加了厂房布置面积。 小电机位于主机顶部，增加了主机高度，有时也会因此而增加主厂房高度。小电机对主机轴系统振动也会带来影响，尤其是高转速机组。 主机完成启动后，小电机仍随主机空转，增加了主机的损耗，使总效率有所下降。 小电机的电源可引自发电机电压母线、主变压器第三绕组或厂用电系统，见图1-10。若电源取自厂用电，则应考虑启动时对厂用电母线电压波动的影响。（2）技术要点额定出力启动电机容量通常按短时工作制设计，故与启动时间及连续启动的次数有关。一般取启动时间15min；考虑到启动可能失败，连续启动次数大多定为2次。启动电机的额定轴出力可由下式求得 （1-3）式中 PM启动电机的额定出力，kW；a 散热系数，自冷取1.151.2，强迫冷却取1.0；P1P2主机达额定转速时，启动电机加速和等速时的轴出力，kW； t1t2加速和等速时间，s； nM 启动电机的同步转速，r/min； n主机的额定转速，r/min。为减少启动力矩，小电机启动通常是在主机水轮机转轮室压水条件下进行的。此时，启动电机的额定出力约为主机出力的5%8%。加速时间和加速时的出力当用恒定的出力转矩进行加速时，加速时间可按下式计算 （1-4）式中 t1加速时间，s；H主机的机械惯性常数，kWs/kVA；主机额定转速时加速时间的损耗，包括风损和摩擦损耗，%；主机额定转速时加速时的出力，%。在加速时的损耗中没有计及主机的铁损及励磁回路损耗等，是因为这些损耗是在95%额定转速下投入磁场断路器后产生的，数值不大，对加速时间计算几乎没有影响。通常加速时间可取5min。启动电机加速时的出力与加速时间的关系见图1-11。等速时的出力和等速时间等速时的出力可近似考虑与等速时的损耗相同。在等速时的损耗中，除风损和摩擦损耗外，还应包括励磁回路的损耗，采用高压同步方式时，还应考虑主变压器的空载损耗。等速时间，在系统稳定条件下取1min已够，为留有余地，计算时可按2min考虑。液体可变电阻器启动电机在启动和加速过程中，转子回路的损耗作为热能在液体可变电阻器中通过电解液散发。所需的电解液量Q可按下式计算 （1-5）式中 Q电解液量，L； W启动电机转子回路的损耗，kWs； T电解液允许温升，一般取500C，0C。考虑两次连续启动时，W值一般可取为机械惯性常数H与小电机额定容量乘积的34倍。液体可变电阻器系统由液体电阻、循环泵、控制阀、储液箱、冷却器等组成。液体电阻的电极浸在电解液中，通过调节电极间距离达到改变阻值的目的。（3）适用范围同轴小电机启动适用于各种容量机组启动。早期曾用作机组台数不多（如23台）时的主要启动方式。近年来，主要与同步启动方式配合适用，而取12台机辅以小电机启动，以弥补同步启动方式不能启动最后一台机的缺点。（4）小电机启动主接线举例图1-12为日本奥清津电站的主接线，全站4台机均用同轴小电机启动，电源取自启动变压器。采用高压侧同步与换相。6、静止变频器启动（1）工作原理这种方法是利用晶闸管变频装置产生从零到额定频率的变频电源，同步地将机组启动、加速至额定转速。静止变频启动的典型接线如图1-13所示。静止变频器由输入设备（图中为变压器TR输入，也可用电抗器输入）整流器REC、平波电抗器DCL、逆变器INV、输出设备（图中为电抗器ACL输出，也可用变压器输出）和控制柜组成。此外启动回路还根据需要设置开关设备。机组启动过程大致如下：在确认机组具备开机条件后，投入选择开关SA和断路器QF2，使被启动机组与变频启动装置互相连接，机组加上空载额定电压的励磁，然后投入电源断路器QF1，变频装置向电机定子输入频率由零逐渐上升的三相交流电，定子三相电流所产生的旋转磁场与已励磁的转子相互作用而产生加速力矩，使机组升速至额定值，满足同步条件时并网，完成启动过程。就换流而言，启动过程分为自然换流与强迫换流两阶段。强迫换流阶段在机组转速低于额定转速5%以下时，虽然转子绕组已给上一定的励磁电流，但定子绕组所产生的感应电压还不足以使逆变器自然换流。这整流器与逆变器都受位置传感器所产生的触发脉冲控制，整流器产生一连串的脉冲电流，其频率与机组转速相对应，逆变器相当于一个切换开关轮流导通三相桥式电路中对应的二个桥臂，使脉冲电流轮流输入定子三相绕组。为使逆变器各桥臂导通时间与转子磁场极性相对应，一般在电机轴上设感应型或光电型的位置传感器，利用它检测电机转子转角位置，以保证转子磁极和电枢绕组电磁极性的对应关系。强迫换流阶段的起始频率一般为0.050.2Hz，保持时间约1030s,取决于电机的摩擦阻力、启动功率裕度等因素。自然换流阶段当机组转速上升到额定转速5%以上时，定子电枢绕组感应电压上升到足以使逆变器各桥臂能轮流自然换流，即进入自然换流阶段。此时逆变器输出为额定启动电流，直至机组升速至95%98%额定转速。变频装置的启动容量取决于被启动机组的阻力矩特性、启动加速时间和连续启动的机组台数。机组的阻力矩通常与机组转速的平方成正比；启动加速时间越短，所需启动功率越大，可用小电机启动加速时间的公式计算；连续启动机组的台数，可按全厂机组台数并留有一台作裕度来考虑；变频启动装置容量通常约为机组容量的5%8%。变频启动的特点与同步启动相近，不同的是用静止变频装置代替旋转电机实施同步启动。（2）特殊技术问题变频装置的额定电压变频装置的额定电压可以等于也可以低于机组的额定电压。当采用后一种方式时，变频装置的输出要经过一台升压变压器，使其电压与机组电压相匹配。升压变压器设旁路开关，在强制换流阶段将变压器短接，以保证电流脉冲无衰减地进入电机电枢绕组，进入自然换流阶段时打开旁路开关。这种方式适用于晶闸管元件工作电压低、电流大的场合。主变压器分流的影响当点站采用高压同步时，变频装置的输出除供机组启动外，还分流给主变压器，易造成铁心饱和，导致启动失败，为防止主变压器分流的影响，保证机组可靠启动，可采取下列措施：试验表明，启动时加于机组的励磁电流不易过大。图1-14为机组采用高压同步时的平稳启动区，图中Is为变频装置的输出电流，If为机组励磁电流，分别以电机额定电流和空载额定电压的励磁电流作基准的标么值表示。一般启动开始阶段可取If=0.4pu.，待转速达一定值后再切换到1.0pu.。同步并网方式有两种同步并网方式：启动过程中，待机组升速至额定转速时先同步并网，同时闭锁变频装置的输出，然后断开变频装置的输入、输出断路器。变频装置升速至额定转速105%左右，先断开启动回路，机组在阻力矩作用下转速下降，降速过程中满足同步条件后并网。避免了前者在机组并网瞬间，启动回路连到电力系统。（3）适用范围变频装置是静止元件，维护工作量小可靠性高；设备布置较灵活；多台机组可共用一套，特别适用于多台机组的大型抽水蓄能电站。过去曾认为当机组台数超过4台时要用2套变频装置，随着晶闸管整流元件质量提高，控制模块插件化并带自检功能，采用冗余设计等措施，变频装置的可用率已超过99%，采用2套变频装置互为备用也变得不那么必要了，美国1985年投运的巴斯康蒂抽水蓄能电站，6台机组只设置1套变频启动装置。（4）变频启动主接线举例图1-15为天荒坪抽水蓄能电站主接线，电站装设6台抽水蓄能机组。启动电源取自主变压器低压侧，装设有2套变频启动装置，以同步启动作为备用启动设施。图1-16为我国台湾的明潭电站主接线，全站6台机组设2套变频启动装置。电站采用高压同步、高压换相接线，高压侧还设有同步启动母线，固定有2台机组分别对其他4台机组实施同步启动，具有很高的可靠性与灵活性。变频启动装置电源取自厂用电。图1-17为我国北京十三陵抽水蓄能电站电气主接线，全站4台机组设1套变频启动装置。电站采用高压同步、高压换相接线，同步启动母线设在发电机电压侧，为1对3互联同步启动。变频电源取自由高压侧引接的厂用变压器。7、启动方式综合评述根据系统和电站的具体条件，选用简单而可靠的启动方式。中、小容量机组可优先考虑采用全压异步或降压异步启动；大、中容量电站可优先考虑利用邻近常规机组进行同步启动的可能性；大容量机组台数不多时可采用同轴小电机启动或小电机加同步启动方式；大容量机组台数较多时可采用1套变频启动装置加同步启动方式或2台同轴小电机加同步启动方式。各种启动方式的综合比较见表1-2。从技术发展来看，变频启动方式发展较快，可用率不断提高，价格不断下降，因而其使用范围也逐渐扩大。表1-2 可逆式机组各种启动方式的综合比较表启动方式异步启动同步启动半同步启动同轴小电机启动变频器启动适用范围单机容量中、小大、中、小大、中、小大大机组台数不限多多少多启动设备相对单机容量（%）601201520约806868启动时间（min）124243737对系统的影响大无无小小所需启动设备降压启动时需降压设备启动发电机，启动用励磁设备，启动母线及开关设备启动发电机，启动母线及开关设备启动小电机，液体变阻器，启动用配电装置变频装置，启动用励磁设备，启动母线及开关设备启动设备相对单台电机的投资（%）1（全压）79（半压）取决于具体情况11232328占用空间小中大控制特性简单复杂复杂较复杂复杂三、变极变频机组1、变极机组简况变极机组的应用场合当可逆式机组的水头变化较大、最大与最小水头（扬程）的比值（即水头变幅）超过1.5时，机组在整个水头的范围内就不能采用单一的转速，特别在水泵工况扬程不同区段，为避免空蚀，必须采用节流方式，致使水能损失增加，水机效率急剧下降，这时采用变极电机是一种合适的解决办法。通常在发电工况选择较低的转速，而在抽水工况采用两种转速（低扬程时选择低转速抽水，高扬程时改用高转速抽水）。例如潘家口水电站的抽水蓄能机组发电工况和3666m扬程抽水工况以125r/min运行，6186m扬程抽水工况以142.86r/min运行；响洪甸水电站的抽水蓄能机组发电工况和3251m扬程抽水工况以150r/min运行，4864m扬程抽水工况以166.7r/min运行。我国变极可逆机组的简况1968年岗南水电站投运的1台日本富士机组是我国最早的变极可逆机组，而1969年江都三站水电站投运的10台机组是我国自制的第1批变极可逆机组，容量很小，变极简单（极数成倍变化）。密云水电站2台机组则是我国自行制造中等容量抽水蓄能变极机组的第1次尝试，但在1973年投运后，1977年由于发生叶片断裂事故，迫使停运。潘家口3台抽水蓄能机组则是我国第1批引进的大型变极可逆机组，虽然在调试和试运行期间出过一些事故，但正式投运以后运行情况良好。响洪甸水电站2台抽水蓄能机组则是最近制造的中等容量变极可逆国产机组。现有的变极可逆机组的主要参数目前国外已投运的抽水蓄能变极可逆机组已超过30台，表1-3列出了当前国内变极可逆机组的主要参数（表中的分子分母值是对应两种不同转速的）。表1-3 我国现有的变极可逆电机电站江都三站岗南密云潘家口响洪甸所在省份江苏河北北京河北安徽制造厂上海电机厂日本富士电机公司天津发电设备厂意大利TIBB公司东方电机厂机组台数102232投运年份1969196819731991在建额定容量（MVA）1.6/0.79151597.7/98*55/45.5转速（r/min）250/125273/250273/250142.86/125166.7/150极数24/4822/2422/2442/4836/40功率因数1.0/0.851.0/0.851.0/0.851.0/0.851.0/0.85水头范围(m)82864286436862764*最大容量2、变极方式及其结构（1）变极机组的特点变极电机与常规电机不同之处在于定子绕组和转子绕组的设计不同，与绕组有关的引出线和滑环也不同，而电机的其他主要部件如轴承、机架、铁芯等并不受变极的影响。电机的主要尺寸通常取决于其低速下的性能，对于抽水蓄能机组，低速运行几率要比高速运行几率大得多，应在优先满足低速良好性能的基础上，尽量选择兼顾两种转速性能的变极方案，故多数极是基本极，少数极是变后极。变极的两种转速应由发电电动机和水轮机两方面的制造厂密切合作来做最终决定，当基本极对数与变极前后极对数差数之比为整数时，可获得满意的变极搭配设计（例如潘家口水电站机组为24/（24-21）=8是整数）。（2）定子绕组变极 小容量可逆电机都采用单绕组。第一种变极方法为反向法，把每相定子绕组都分成两个“半绕组”，通过换极开关改变其中一个“半绕组”的电流方向（反向法即由此得名）便可实现变极。这种变极方式的电机出线较少，换极开关较简单，然而虽然其基本极绕组分布系数较高，但变后极的绕组分布系数过小，绕组的利用率偏低，这是反向变极法的主要缺点。第二种变极方法采用换相法，这是我国中小型抽水蓄能变极机组最常用的办法，例如岗南、密云、响洪甸等水电站的双速可逆机，它把基本极的每相绕组分成三段，变极后把三相中全部九段绕组打破相的界限作重新组合，使某段线圈在基本极中属于某一相，通过变极开关改接为变后极时则属于另一相了。变后极每个绕组的第三段绕组，是由分别隶属于原基本极三个相各1段的绕组重新组合成的。这种变极方式的变后极绕组系数要比反向法的高，如果槽数和变后极数配合符合对称条件，采用“对称轴线法”来设计的变后极绕组分布系数可在0.83左右。此外，江都三站水电站可逆机组两种极数之间正巧成倍关系，这种最简单的变极关系用串并联办法就解决了（48极定子绕组为单路星形接线，24极时为双路星形接线）。 大型双速电机（100MVA及以上容量），由于谐波系数和线圈对称性等原因，定子绕组不宜再采用单绕组变极，而应采用双绕组变极来获得最佳条件，象潘家口水电站电机采用两个单独绕组（分别对应两个转速），在电气上各设计成单层绕组，在结构上又类似于正常的双层绕组，但在运行时却有