《储能技术》课件-2.4 抽水蓄能电站发电电动机

抽水蓄能电站

发电电动机目录CONTENT010302发电电动机的特点和主要参数可变速发电电动机发电电动机的结构PART发电电动机的特点和主要参数01机械能水势能电能水泵水轮机发电电动机正转、反转可逆式抽水工况发电工况抽水蓄能工作原理电力负荷低谷电力负荷高峰双向旋转电站发电电动机需双向旋转，适应水轮机与水泵工况。实现三相电机双向旋转，要转换电机内的相序，其主接线设计和开关选择上要进行特殊设计（多在发电电动机的定子出线端设置换相开关）双向旋转运行对对电机的通风冷却系统和轴承要求更高一、发电电动机特点启停频繁、工况转换迅速储能、调峰、填谷、调频、调相以及紧急事故备用，一般电站日调节至少开停机2、3次（多则达10次以上）工况转换非常频繁，导致机组经常需要经历各种复杂的机械和电气瞬态过程，机组的受力和振动往往比常规水轮发电机大得多。（大型机组>10MW/s负荷的能力）使得发电电动机自身的电磁容量、绝缘、冷却等多方面的设计难度更大，频繁大幅变化的机械应力对旋转部件的承受能力和疲劳使用寿命也提出了更高的要求。一、发电电动机特点启动装置复杂同步电机若直接接入电网是无法从静止状态实现自启动的，需要有专门的启动措施。作为发电机使用时，水轮机旋转带动电机转子，实现启动过程作为电动机使用时，电机的启动力矩为零，必须依靠其他方法将机组从静止状态加速到额定转速附近再并入电网。常用的启动方法有：基于电力电子技术的变频器启动方法、同轴安装小电动机的启动方法、转子安装阻尼绕组或实心转子的异步启动方法。需要在发电电动机本体或外部增加额外的装置和接线，使得整个系统更为复杂。一、发电电动机特点转速高、容量大、冷却困难可逆式水泵水轮机，额定转速一般为200~600r/min，发电电动机与之同轴相连，两者转速一致，远高于常规水轮发电机发电电动机需要进行发电和电动双向运行，正常情况下，电动时的额定功率会略大于发电时的额定功率，可以达到200~400MW，其设计容量应综合考虑两种工况下的最大值。额定转速高决定了发电电动机的极对数少、尺寸较小，容量大更是导致每极的容量增加，因此该电机的通风冷却设计难度较常规水轮发电机更为困难。一、发电电动机特点水力机械条件---额定转速发电电动机与水泵水轮机相连，其转速主要取决于水泵水轮机的额定转矩影响因素：水泵水轮机的工作水头、转轮型式、流量、效率等参数水平、发电电动机本身的额定电压、定子绕组的并联支路数、槽电流我国电网额定频率为50Hz，额定转速：

600r/min、500r/min、428.6r/min、375r/min、333.3r/min、300r/min、250r/min、214.3r/min、200r/min二、发电电动机主要参数电力系统条件---额定功率、功率因素1、额定功率：发电机额定功率PG：水轮机在额定水头下的轴输出功率PT相匹配，PG<

PT电动机额定功率PM：水泵在最小扬程下的最大轴输入功率Pp相匹配，PM>Pp发电电动机的容量S:

SG和SM两者中的最大值(充分发挥发电电动机的在两种工况下的效益)2、功率因素：机组发电时，发电电动机--电力系统的电源--有功功率和无功功率--功率因数过高会降低系统的稳定性--有功一定的情况下，降低功率因数，必然导致电机容量增加，电机的体积和成本均会增加--功率因数取值范围为0.9～0.95。机组抽水时，发电电动机--电力系统的负荷--有功功率和无功功率--功率因数可以取高一点的值--无功功率主要是补充电站内变压器等设备的无功损耗，所占比例较小--功率因数取值范围为0.975～1.0。二、发电电动机主要参数电机设计要求—额定电压、短路比二、发电电动机主要参数1、额定电压：影响因素：与发电电动机的绝缘水平、容量、冷却方式、与电站内的断路器、变压器以及封闭母线等设备的电压等级发电电动机的容量越大，额定电压则相应越高（需要提高电机的绝缘等级，也会导致材料成本的增加），以减小电机的铜损耗；额定电压等级：6.3kV、10.5kV、13.8kV、15.75kV、18kV、20kV工况变换频繁，潮流变化大，电机的端电压变化范围大---发电电动机调压范围一般为额定电压的±5%，运行电压变化范围可提高到额定电压值的±7.5%或±10%。电机设计要求—额定电压、短路比二、发电电动机主要参数2、短路比---运行的静态稳定性在对应于空载额定电压的励磁电流下三相稳态短路时的短路电流与额定电流之比。同步发电机的短路特性是一条直线，可转化为用标幺值表示的直轴同步电抗不饱和值的倒数乘以空载额定电压时的主磁路的饱和系数。短路比大则稳定性会提高但转子用铜量会增加，机组造价也会增加。短路比小虽然能降低机组成本，但负载变化时发电电动机的电压变化增大，稳定性会降低。为提高发电电动机的经济性，常选择较小的短路比，一般为0.9~1.0之间。PART发电电动机的结构02一、发电电动机的结构定子转子轴承上下机架制动系统冷却系统组成01悬式结构推力轴承布置在上机架上轴向力--推力轴承；径向力--上下导轴优点：在于径向机械稳定性较好、轴承损耗较小、机组效率高、检修和维护方便。缺点：机组较高、轴系长度长、电站地下厂房高度及开挖难度较大，对机组受力情况和轴系的摆度、振动均有不利影响。机组转动部分的全部重量和水轮机中水流的轴向力全部由推力轴承和上机架承受，因此需要加强上机架和定子机座的机械强度，导致机组的重量和成本有所增加。适用于高转速机组，额定转速>500r/min02伞式结构推力轴承设置在发电电动机的下机架上推力轴承--轴向的力；下导轴承--径向力。机组整个旋转部分的重量和水流轴向的力均由推力轴承传递到下机架上，相当于由推力轴承和下机架撑起来的全伞式结构仅有下导轴承，没有上导轴承；转子产生的径向力都由下导轴承承担，一旦发生故障时安全系数较低，因此很少采用。半伞式既有下导轴承，又有上导轴承。机组的轴系长度较短，机组和厂房的总高度要低得多，而且发电机的重量较轻，缺点是机组损耗较大、效率稍低。适用于转速<428.6r/min悬式-伞式悬式-伞式悬式机组半伞式机组轴系长度长轴系长度短上下导轴承间跨距大、临界转速较低上下导轴承间跨距可缩小、临界转速较高上机架为承重机架、定子机座承受推力荷载下机架为承重机架、定子机座不承受推力荷载推力轴承损耗小、轴向刚度较低推力轴承损耗大、轴向刚度较高推力轴承检修空间较大推力轴承检修空间较小吊转子时需拆掉推力轴承吊转子时无需拆掉推力轴承机组的总高度大机组总高度一般低于悬式结构机组总造价较高机组总造价较低1、定子组成由定子机架、定子铁芯和定子绕组组成定子机架用于固定定子铁芯，并将上机架传来的推力传到机墩上。定子铁芯由导磁良好的硅钢片叠成，内圆均匀分布着许多槽，用来嵌放定子线圈，组成三相绕组。二、定子结构视频展示2、机座二、定子结构立式结构，外形呈圆形作用：固定定子铁芯，承受定子绕组短路时产生的切向力、磁极短路时产生的单边磁拉力以及电机运行时温度升高产生的热膨胀力，必须具有较好的刚度和弹性，不能产生有害变形。为了方便制造和运输，为了增加大型机座的刚度，消除因定子铁心拼装引起的磁路不平衡和振动，电机厂多在厂内对机座进行分瓣加工、分瓣制造（2～8瓣），运输到抽水蓄能电站后用小合缝板将其合成整圆，再通过焊接机座环板，使机座形成一个整体。3、铁芯二、定子结构磁阻必须很小才能为磁场提供良好的通路由于其磁场是方向不定的旋转磁场，而纯铁在交变磁场中会产生较大的涡流损耗，多采用无取向的冷轧硅钢片叠压而成，先通过添加硅元素提高铁合金的电阻率降低涡流大小，再通过降低铁心轴向厚度减小涡流面积，可大大降低铁芯的涡流损耗，既提高了效率也缓解了铁芯发热情况。铁芯直径较大，考虑到加工难度，多将冲片先做成扇形，再叠装成整圆。为便于安装，每个扇形冲片的槽数必须为整数多采用径向通风冷却，因此其铁芯就不能叠成一个整体，必须在轴向设置一定数量由通风槽片构成的通风沟。4、绕组二、定子结构按照相数---单相绕组、多项绕组（常规交流电机多采用三相对称绕组）按照槽内的绕组层数

---单层绕组、双层绕组按照每极每相槽数是整数还是分数---整数槽绕组、分数槽绕组；按照绕组的绕制方法

---叠绕组、波绕组一般大型发电电动机的绕组为三相、双层、单匝条式波绕组或叠绕组。4、绕组二、定子结构进行电磁能量转换必不可少的元要件，其采用高电导率的金属材料制成，通常选择铜线或铜棒绕制。定子绕组需满足交流电机绕组的基本要求：(1)定子绕组合成电动势和合成磁动势的波形要接近正弦波，基波电动势和基波磁动且要保持每一相的电阻和电抗相同。(2)各相电动势和磁动势对称(节距、匝数、线径相同，空间上互差120°电角度)，且要保持每一相的电阻和电抗相同。(3)绕组要求结构简单，用铜量要少、铜耗尽可能小。(4)绕组绝缘可靠，机械强度、散热调节要好，制造方便。支架包括轮毂和轮辐磁轭是电机磁路的组成部分磁极上装有磁极绕组和阻尼绕组。作用：与水泵水轮机传递机械转矩，支撑旋转的励磁线圈，产生主磁场以实现电能与机械能之间的能量转换转子不仅需要有足够的机械强度，保持良好的电磁性能和通风效果，还需要满足运行所需要的转动惯量和安全要求。1、转子组成三、转子结构支撑作用，通过联轴器与水泵水轮机转轴相连传递机械能量设计要求：需满足较高的机械强度和刚度，以保证在额定和常见故障工况下不会变形或损坏；同时，也要满足机组轴系的临界转速不低于飞逸转速的120％，避免发生共振情况。2、转轴三、转子结构三、转子结构2、转轴一根轴结构---转轴主体部分为一个整体，其优点是结构简单、制造方便，机组的轴线方便调整。适用于高转速、大容量的悬式发电电动机。分段轴结构---由上端轴、转子支架中心体和下端轴三部分组成。中间段是转子支架中心体，没有轴。其优点是便于锻造、便于运输和轮毂不需要热套等。适用于大容量伞式发电动机三、转子结构2、转轴三、转子结构3、磁轭磁轭内径与转子支架连接，外径与磁极相连磁场方面---转子磁轭是发电电动机主磁路的一部分，为磁场从转子一极到相邻一极提供了通路。机械方面---磁轭也是固定磁极的结构部件，是产生发电电动机转动惯量的主要来源。通风方面---磁轭是发电电动机通风系统的咽喉，是风循环的主要风压源。视频展示三、转子结构3、磁轭整体实心磁轭---应用较少。叠片磁轭---整体性较差，多适用于中低转速、中低容量机组中。第三种整圆厚钢板磁轭----由高强度优质厚钢板组装而成，沿轴向分成若干段。该结构的整体性好，适用于大容量、较高转速机组，在发电电动机中得到了广泛应用。三、转子结构4、磁极产生主磁场的核心元件，主要由线圈和铁芯构成由于磁极是旋转部件，又是发电电动机主磁路的一部分，线圈和铁芯除了要具备良好的导电和导磁性能之外，还需具备良好的机械性能。磁极铁芯：多采用1.5~3mm厚的高强钢板冲制而成，分为极靴和极身。三、转子结构4、磁极励磁线圈：扁绕铜排或焊接铜排；形状主要有矩形、五边形、七边形和异形铜排中小型电机：采用绕制线圈，采用软铜线圈，制造较为方便。大容量电机：选用焊接式铜排，这种线圈每一匝都需要拼焊，制造成本较高，优点是方便做成散热匝结构，有利于提高线圈的散热能力。视频展示PART可变速发电电动机03双绕组变极：定子槽内放置两套独立的不同极对数的绕组，通过切换绕组的绕组之间的连接方式来改变极对数。单绕组变极：即定子槽内只有一套绕组，将每相绕组分成若干段，通过改变各段双绕组之间的连接方式来改变极对数丢极法：将小磁极通过变极开关切除并极法：指相邻两个小磁极变极后成为同极性的磁极，相当于合成一个马鞍形的大磁极通过改变定、转子极对数的方式改变电机转速。增加了电机结构的复杂性，需要较多的切换开关，且变极前后定、转子磁场的波形都有不同程度的畸变，增加了谐波含量。由于极对数只能取整数，这种变速方式只能“有极”调速，即只能在两种转速之间切换，而不能任意控制转速大小。一、变极调速定子绕组变极转子绕组变极0102多极数——少极数1、优点：调速范围宽，可实现发电电动机平稳、无级调速，甚至在电网异常和故障状态下，变频器也具有一定的兼容能力。机组可以从静止状态以额定转矩启动和加速，同步并网操作方便，无时间延时。该方式对发电电动机无特殊要求，发电电动