现代抽水蓄能电站 第五章

第五章发电电动机2026年7月25日抽水蓄能电站中，水势能和机械能之间的能量转化主要依靠水泵水轮机实现，而机械能和电能之间的相互转化则需要通过发电电动机实现。这种类型的电机在发电机工况（机械能转化为电能）时作为发电机使用，而在抽水工况（电能转化为机械能）是作为电动机使用，因此称之为发电电动机。第五章发电电动机第5章

Contents发电电动机的特点和主要参数发电电动机的结构可变速发电电动机5.15.35.25.1发电电动机的特点和主要参数

5.1.1发电电动机的特点双向旋转抽水蓄能电站作为电力系统中一种大规模的储能装置，需要在电力负荷低谷时将电能转化为水势能，而在电力负荷高峰时将水势能转化为电能，因此其机组采用的可逆式水泵水轮机，既可以作为水泵使用又可以作为水轮机使用。在两种工况下，水泵水轮机运行时的旋转方向相反，因此与之相连的发电电动机也许双向旋转。要实现三相电机双向旋转，意味着要转换电机内的相序，因此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。而且双向旋转运行对电机的通风冷却系统和轴承都提出了更高要求，给电机设计增加了难度。发电电动机作为抽水蓄能电站的核心设备，其与水力发电站中的水轮发电机有相似之处，两者均与水轮机相连，结构上皆为凸极同步电机。但抽水蓄能电站由于工况转换多、运行方式灵活、反应速度快等特点，在性能对发电电动机的要求也更为严格，使得发电电动机在结构上比常规单一工况运行为主的发电机复杂得多。抽水蓄能电站的发电电动机一般具有以下特点：5.1发电电动机的特点和主要参数

5.1.1发电电动机的特点启停频繁、工况转换迅速除了储能的功能之外，抽水蓄能电站在电力系统中还承担了调峰、填谷、调频、调相以及紧急事故备用等任务，一般电站日调节至少开停机2、3次，多电站则达10次以上。发电电动机的工况的调整也非常频繁，大型机组要求具有每秒增减10MW以上负荷的能力。如此迅速的工况转换导致机组经常需要经历各种复杂的机械和电气瞬态过程，因此机组的受力和振动往往比常规水轮发电机大得多。同时，这样的工况条件一方面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，另一方面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。5.1发电电动机的特点和主要参数

5.1.1发电电动机的特点启动装置复杂抽水蓄能电站中的发电电动机在结构上属于同步电机。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，因此需要有专门的启动措施。发电电动机作为发电机使用时，其水流从上水库向下水库流可以冲动水轮机旋转，从而带动电机转子，实现启动过程。但作为电动机使用时，电机的起动力矩为零，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。无论是哪种方法，都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。5.1发电电动机的特点和主要参数

5.1.1发电电动机的特点容量大、转速高、冷却困难抽水蓄能机组采用的可逆式水泵水轮机，额定转速一般在200~600r/min，发电电动机与之同轴相连，两者转速一致，因此发电电动机比常规水轮发电机的转速高得多。此外，发电电动机需要进行发电和电动双向运行，其额定功率包括发电工况下的额定功率和电动工况下的额定功率。正常情况下，电动时额定功率会略大于发电时的额定功率，可以达到200~400MW，发电电动机的设计容量应综合考虑两种工况下的最大值，因此比常规单一工况运行的电机要大得多。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。5.1.2发电电动机主要参数额定功率和容量发电电动机的额定功率包括发电机额定功率PG和电动机的额定功率PM，单位为kW或MW。发电电动机的容量（即视在功率）也包括发电机容量SG和电动机容量SM两个值，单位为kVA或MVA。发电电动机的容量与额定功率之间存在如下关系：式中，cos

G和cos

M分别为发电电动机在发电和抽水工况时的额定功率因数；

M为发电电动机在抽水工况时的额定效率。5.1发电电动机的特点和主要参数发电电动机的容量S取SG和SM两者中的最大值。为了充分发挥发电电动机的在两种工况下的效益，设计时应尽量让SG和SM相等或接近。5.1.2发电电动机主要参数功率因数抽水蓄能机组发电时，发电电动机作为电力系统的电源，向电网输出有功功率和无功功率。此时，功率因数过高会降低系统的稳定性，因此功率因数不宜过高。但在有功一定的情况下，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，因此一般发电机的功率因数取值范围为0.9~0.95。抽水蓄能机组抽水时，发电电动机作为电力系统的负荷，从电网吸收有功功率和无功功率，其中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，所以电动机的功率因数可以取高一点的值，其范围一般为0.975~1.0。5.1发电电动机的特点和主要参数5.1.2发电电动机主要参数额定电压和调压范围一般发电电动机的容量越大，额定电压则相应越高，以减小电机的铜损耗；但提高额定电压的同时需要提高电机的绝缘等级，也会导致材料成本的增加。根据相关国家标准，目前发电电动机的额定电压等级主要有：6.3kV、10.5kV、13.8kV、15.75kV、18kV、20kV等。由于抽水蓄能电站的工况变换频繁，潮流变化大，其实际运行中电机的端电压变化范围也较大，与额定电压之间往往存在一定偏差。一般发电电动机允许的调压范围为额定电压值的

5%，部分发电电动机的调压范围可提高到

7.5%或者

10%。5.1发电电动机的特点和主要参数5.1.2发电电动机主要参数额定转速发电电动机的额定转速也与其本身的额定电压、定子绕组的并联支路数、槽电流等有关。根据同步电机的原理可知，其转速与频率f和极对数p存在如下关系：我国电网额定频率为50Hz，由于极对数p只能取整数，其额定转速也只能取离散的一些值，如：600r/min（p=5）、500r/min（p=6）、428.6r/min（p=7）、375r/min（p=8）、333.3r/min（p=9）、300r/min（p=10）、250r/min（p=12）、214.3r/min（p=14）、200r/min（p=15）等。5.1发电电动机的特点和主要参数5.1.2发电电动机主要参数短路比短路比的含义是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，其表达式为式中，Ik0为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；IN为额定电流；k

为空载额定电压时的主磁路的饱和系数；Xd*为不饱和直轴同步电抗的标幺值。短路比关乎发电电动机在电力系统中运行的静态稳定性。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。短路小比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。由于抽水蓄能电站选择比常规水电站离负荷中心要近得多，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。5.1发电电动机的特点和主要参数第5章

Contents发电电动机的特点和主要参数发电电动机的结构可变速发电电动机5.15.35.25.2.1基本结构与分类抽水蓄能发电电动机的结构与常规水轮发电机相似，主要由定子、转子、轴承、上下机架、制动系统和冷却系统组成。按推力轴承布置的位置分，发电电动机可以分为悬式和伞式两种结构。5.2发电电动机的结构悬式机组和半伞式机组的性能对比悬式半伞式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总高度一般低于悬式结构机组的总高度大机组总造价较高机组总造价较低5.2.1基本结构与分类5.2发电电动机的结构悬式发电电动机结构示意图悬式结构中，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，相当于悬挂在机架上，因此称之为“悬式”。悬式结构的推力轴承布置在上机架上，与上导轴承形成一个系统。其中，推力轴承固定在机架上，其承受电机轴向的拉力，保证电机转子在旋转的同时轴向位置不变。而上、下导轴承受的是径向力，其作用是固定电子转子和转轴在水平方向的位置，防止其径向摆动。5.2.1基本结构与分类5.2发电电动机的结构半伞式发电电动机结构示意图伞式结构的推力轴承设置在发电电动机的下机架上，与下导轴承形成一个系统。同样，推力轴承承受轴向的力，而下导轴承承受径向的力。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，因此称之为“伞式”。伞式结构的机组又可以分为全伞式和半伞式两种。由于全伞式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。目前，蓄水蓄能机组多采用半伞式结构，如图所示。5.2.2定子部分5.2发电电动机的结构定子是发电电动机实现电磁能量转换的重要部件之一。主要由机座、铁心、绕组等元件组成。定子结构5.2.2定子部分5.2发电电动机的结构定子机座由于抽水蓄能机组多为悬式或半伞式结构，因此发电电动机的机座一般为立式结构，外形呈圆形或者多边形，其中圆形机座占多数。机座的作用是固定定子铁心，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，因此必须具有较好的刚度和弹性，不能产生有害变形。对于悬式结构的机组而言，机座还要承受推力轴承传递过来的轴向荷重，因此需在结构上增加轴向立筋以加强机座的刚度。发电电动机定子部分结构示意图5.2.2定子部分5.2发电电动机的结构定子机座大型发电电动机的直径比较大，为了方便制造和运输，大部分需要分瓣制造。分瓣数根据机座的直径来决定，直径越大则分瓣数越多，一般可分为2~8瓣。为了增加大型发电电动机机座的刚度，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，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。发电电动机定子部分结构示意图5.2.2定子部分5.2发电电动机的结构定子铁芯定子铁芯是发电电动机磁路的重要组成部分，其磁阻必须很小才能为磁场提供良好的通路，因此选择材料时需用磁导率比较高的铁磁材料。但由于发电电动机内的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，因此并不适合直接铸造成铁芯。目前，发电电动机的定子铁芯多采用无取向的冷轧硅钢片叠压而成，这样先通过添加硅元素提高铁合金的电阻率降低涡流大小，再通过降低铁芯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。通常发电电动机采用的硅钢片的厚度多为0.5mm，对铁耗限制比较高的电机也可以采用0.35mm厚度的硅钢片，其表面均涂有0.015~0.02mm厚度的硅钢片漆。5.2.2定子部分5.2发电电动机的结构大型发电电动机的定子铁芯直径较大，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，并且将接缝的位置设计在槽中心，且接缝处留有0.2~0.25mm的间隙，以防叠装的时候相邻两个冲片搭叠，产生气隙。为了尽可能减小铁芯叠装时产生的气隙，保持其良好的导磁性能，扇形冲片采用交错叠装的方式进行组装。因此，每个扇形冲片轭部边缘处开两个鸽尾槽，距离控制在350mm~450mm，叠装时通过鸽尾筋固定。定子铁芯5.2.2定子部分5.2发电电动机的结构大容量的发电电动机的定子铁芯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。通风槽片也必须做成扇形冲片，材料可采用0.65mm厚度的酸洗钢板或硅钢片本体，形状与硅钢片扇形冲片相似，但不同的是其槽部需要扩孔，以避免在焊接时齿部变形损伤定子绕组，其结构如图所示。定子铁芯5.2.2定子部分5.2发电电动机的结构波绕组的匝间绝缘可靠，端部连接线少，嵌线方便，股线的直线部分还可以编织换为，以减少循环电流引起的附加损耗，被广泛应用在大、中型的发电电动机上。叠绕组每一个线圈的尺寸相同，节距y也相同，元件可以一次加工完成。其优点是短矩时可节省绕组端部用铜，也便于得到较多的并联支路。其缺点是端部的接线较长，在多极的大电机中这些连接线较多，不便布置且用量也很大，故多用于中小型电机。定子绕组波绕组结构及其节距叠绕组结构及其节距5.2.3转子部分5.2发电电动机的结构转子的作用是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，其生产和安装质量的优劣是影响整个机组安全稳定运行的重要因素。因此，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。发电电动机的转子主要由转轴、磁轭和磁极等部分组成，转子结构发电电动机转子部分结构示意图5.2.3转子部分5.2发电电动机的结构一根轴结构：即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。分段轴结构：通常由上端轴、转子支架中心体和下端轴三部分组成。该结构的中间段是转子支架中心体，没有轴，所以又称为无轴结构。分段轴的优点是便于锻造、便于运输和轮毂不需要热套等。通常，高转速、大容量的悬式发电电动机多选择一根轴结构，而大容量伞式发电动机多采用分段轴结构。转轴5.2.3转子部分5.2发电电动机的结构整体实心磁轭：应用较少。叠片磁轭：由磁轭冲片、通风槽片、拉紧螺杆、磁轭压板和制动环等零部件组成，扇形磁轭冲片采用交错的方式一层一层叠装，在叠装过程中以销钉定位，并通过拉紧螺杆沿轴向拉紧，形成一个整体。由于扇形叠片磁轭的整体性较差，多适用于中低转速、中低容量机组中。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。每段由若干厚钢板装配而成，通过销钉螺栓固定，再形成一个整体。因此，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。磁轭5.2.3转子部分5.2发电电动机的结构励磁线圈：多采用扁绕铜排或焊接铜排的方式，形状主要有矩形、五边形、七边形和异形铜排几种，其截面积由电机的容量和励磁电流大小决定。阻尼绕组：其设计与机组的起动方式有关。如果发电电动机需要异步起动，则要加强转子磁极和阻尼绕组的结构，选用高电阻的阻尼绕组或实心磁极，以产生足够大的起动力矩并吸收起动过程中产生的大量热量。磁极磁极铁芯:属于发电电动机主磁路的一部分，既要考虑材料的导磁性能，又要考虑机械性能，因此铁芯冲片多采用1.5~3mm厚的高强钢板冲制而成，分为极靴和极身。第5章

Contents发电电动机的特点和主要参数发电电动机的结构可变速发电电动机5.15.35.25.3可变速发电电动机转速与频率的关系

发电电动机结构上与水轮发电机相似，同属于凸极同步电机。但水轮发电机正常仅在单一的发电工况下运行，转子转速基本不变；而抽水蓄能电站中的发电电动机有发电、电动、调相三种运行工况，转子不仅要双向旋转还需要适应不同的转速，而只有定、转子的磁场相对静止才能实现稳定的机电能量转换。三相交流电机的定子磁场是由定子绕组中的A、B、C三相对称交流电流产生。定子磁场旋转速度n1与电流频率f1之间的关系为式中，p为电机极对数。5.3可变速发电电动机转速与频率的关系

转子磁场相对转子的旋转速度n2与转子绕组电流频率f2的关系为考虑到转子自身转速n，则因此，发电电动机的运行转速n与定子电流频率f1关系为对于常规同步电动机，其转子采用直流励磁，即f2=0，则说明运行过程中发电电动机的定、转子的磁场是相对静止的。5.3可变速发电电动机调速方法对于转子采用直流励磁的同步发电电动机，其进行变速运行主要有三种方法：改变定子侧电流频率f1；改变电机极对数p；同时改变定子侧电流频率f1和电机极对数p的联合调速。对于转子采用交流励磁的发电电动机，即f2

0，则实现变速运行的方式除了调节定子频率f1和电机极对数p之外，还可以通过调节转子频率f2来实现，其运行方式类似于双馈发电机。5.3可变速发电电动机

5.3.1变极调速改变定子绕组极对数的方法有：双绕组变极，即在定子槽内放置两套独立的不同极对数的绕组，通过切换绕组的引线头改变电机极对数；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，通过改变各段绕组之间的连接方式来改变极对数转子变极方式主要有丢极和并极两种。变极是交流电机中较为常见的一种调速方式，也是应用广泛的传统调速方式。但对于电机而言，只有定、转子极对数相同才能正常工作，因此变极调速要同时改变定子极数和转子极数。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，而任意控制转速大小。5.3可变速发电电动机

5.3.1变极调速定子双绕组变极结构双绕组变极中的一套绕组放置在所有奇数槽的上层和偶数槽的下层，另一套则刚好相反。为了保证绕组端部的一致性，两套绕组每匝线圈的节距相同。双绕组接线图图中为一台双绕组变极电机的绕组接线图，两套绕组的极数分别为36和40。5.3可变速发电电动机

5.3.1变极调速定子双绕组变极缺点当发电电动机运行时，总是一套绕组在工作，另一套绕组闲置，因此从本质上来说浪费了电机内的空间，从而产生一系列问题：绕组利用率低，用铜量增大，经济性变差；绕组的有效散热面积小，冷热不均的线棒之间容易活动、不易固定；每套绕组都是单层布置，绕组串联匝数少，并联支路数为1；单根线棒的截面积大，绕组端部空间紧张，线棒之间间隙小，易放电烧毁线棒；定子槽较深，槽漏抗大，电机动态稳定性变差；电枢反应磁动势谐波增加，可能存在次谐波激振等。5.3可变速发电电动机

5.3.1变极调速定子单绕组变极——移相移相变极是一种改变线圈属相，但不改变连接方向的变极方式。在移相变极中，每一相绕组分成3段，三相绕组共分成9相，一般需要18根引出线。变极的过程是通过将9段绕组打破原来的相的界限重新组合，以形成不同极对数和绕组相序。移相变极原理示意图单绕组变极方法在定子上仅设置了一套绕组，但这套绕组中的每一相都被分割成了若干段，可通过改变各段之间的连接来改变极数。连接方式主要有移相变极和反接变极两种。5.3可变速发电电动机

5.3.1变极调速定子单绕组变极——反接反接变极是应用极幅调制原理的变极方式，绕组引出线头数通常为12。这种方式的优点是出线端少，开关部件简单。但其缺点是绕组分布系数低、谐波含量高，会导致电机损耗增大、温升高、效率低等一系列问题，因此实际应用价值并不大。反接变极原理示意图5.3可变速发电电动机

5.3.1变极调速转子绕组变极同步电机中，定子改变极数的同时转子也必须同时改变极数，否则电机无法稳定运行。常规凸极同步电机，其转子励磁绕组只有两个接线端，与正、负极两个滑环相连。而需要变极的同步电机，其转子励磁绕组需要分段，与多个滑环相连，并通过切换转子变极开关改变转子绕组的连接方式，以产生不同的极数。目前，转子变极方式主要有丢极和并极两种。综合来说，双速发电电动机主要通过改变定、转子极对数的方式改变电机转速。这种方式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。此外，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，而任意控制转速大小。5.3可变速发电电动机

5.3.1变极调速转子绕组变极——丢极丢极原理示意图（1/6圆周）采用丢极法的同步电机，转子磁极有大、小极两种。所谓“丢极”指的是电机由多极数变成少极数时，将小磁极通过变极开关切除（即丢极）。图中为潘家口电站发电电动机的转子变极示意图。该发电电动机转子有6个对称的磁极组，每组8个磁极中包括3个小极和5个大极。当极数为48时，所有磁极均有效，相邻磁极相反。当将每个磁极组中3个小极中的中间小极短接（即丢掉），同时将下一个磁极组的励磁电流反向，则极数就变成42极。5.3可变速发电电动机

5.3.1变极调速转子绕组变极——并极并极法是指相邻两个小磁极变极后成为同极性的磁极，相当于合成为一个马鞍形的大磁极，从而将多极数变成少极数的情况。图中所示为采用并极法前后的原理示意图。该发电电动机转子有4个对称的磁极组，每组6个磁极中包括2个小极和4个大极。当极数为24时，所有磁极均有效，相邻磁极相反。当将1、3两个磁极组中的2个小极分别改接，使其极性一致，同时改变磁极电流的方向，使得相邻磁极间的极性相反，则极数就变成了20极。并极原理示意图（1/4圆周）5.3可变速发电电动机

5.3.2变频调速随着电力电子器件性能和控制技术的飞速发展，采用全功率变频器对发电电动机进行调速成为越来越主流的方式之一。全功率变频可变速发电电动机系统主要由变压器、整流器、变频器以及发电电动机组成，其系统框图如图所示。全功率变频可变速发电电动机系统框图5.3可变速发电电动机

5.3.2变频调速优点：调速范围宽，可实现发电电动机平稳、无极调速，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，发电电动机可以为常规发电电动机。缺点：全功率变频器的成本较高，在中、小容量的抽水蓄能电站中具有较高的经济性，但大容量的机组需要配备大容量的变频器，经济性很低；变频器自身存在器件损耗，会降低整个机组的效率；大容量变频器装置及其冷却系统的尺寸往往也较大，需要额外占用电站内空间。随着半导体功率器件技术的发展以及变频器成本的降低，采用全功率变频器方式会越来越受到人们的欢迎，对大容量机组的抽水蓄能电站的吸引力也会越来越高。5.3可变速发电电动机

5.3.3交流励磁调速交流励磁发电电动机在结构上属于双馈电机，其定子侧直接与电网连接