可变速水轮发电的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种可变速水轮发电机，该水轮发电机适用于水头变幅较大的水电站。采用可变速水轮发电机可有效解决常规水轮发电机组因为水头变幅较大所造成的运行效率低、水轮机叶片气蚀磨损严重等问题。该水轮发电机转子采用三相绕线式设计，根据水头变化情况，通过交流励磁装置调节可变速水轮发电机励磁电流频率的大小，使机组运行在最优单位转速附近，可提高水轮发电机组的运行效率，减少水轮发电机组的振动、气蚀、磨损，延长机组使用寿命。
【专利说明】可变速水轮发电机
[0001]一、 【技术领域】
本发明涉及一种可变速水轮发电机，该水轮发电机适用于水头变幅较大的水电站。该水轮发电机转子采用三相绕线式设计，通过交流励磁装置进行励磁。采用可变速水轮发电机可有效解决常规水轮发电机组因为水头变幅较大所造成的运行效率低、水轮机叶片气蚀磨损严重等问题。这为水头变幅较大的水电站提高机组运行效率提出了新的解决方案。
[0002]二、 【背景技术】
水轮发电机将水能转换为电能，是水电站中的基本单元。常规水轮发电机组通常采用直流励磁的同步发电机，只能在额定同步转速下运行，发电机转速固定不变，无调整余地；另外，常规水轮机通常都设计成在加权平均水头下达到最优单位转速，水轮机运行在最优单位转速附近具有良好的性能和较高的效率。然而当水头变化时，水轮机单位转速也随之变化，当其偏离了最优单位转速时水轮机效率降低，气蚀系数加大，磨蚀和机组振动增加，机组运行工况恶化。
[0003]通常的水电站不管是初期投运还是正式投运，其水头都存在较宽的变化范围，使得水轮机无法持续运行在最佳工况。因此，为了改善机组运行工况，适合采用可变速水轮发电机。我国水力资源丰富，多泥沙的河流较多，如果机组采用可变速水轮发电机，则可以在水头变幅较大时，相应地调节发电机转速，使发电机组始终运行于水轮机的最优单位转速附近，从而，提高了水轮发电机组运行效率，减少了水轮发电机组振动、气蚀和磨损，延长水轮机的寿命。
[0004]目前我国已建和在建的水电站基本上是采用直流励磁的常规水轮发电机组，采用交流励磁的可变速水轮发电机组目前国内还没有相应的技术引进，国外对我国一直采取技术严格保密的态度。我单位自上个世纪八十年代开始就着手自主开发和设计交流励磁可变速水轮发电机组，现在已掌握交流励磁可变速水轮发电机组的开发和设计能力。目前，由我单位自主研发的6500kW可变速水轮发电机组已在新疆伊犁人民电站成功投入运行，填补了国内交流励磁可变速水轮发电机组的空白。
[0005]三、
【发明内容】
为了弥补常规水轮发电机组因为水头变幅较大造成的机组运行效率低、水轮机叶片气蚀磨损严重等问题，特发明此可变速水轮发电机。
[0006]发电机转子采用绕线式结构设计，通过交流励磁装置为其提供三相交流励磁电流，发电机转子机械频率和励磁电流频率的关系满足:
fi = 4 +4
注:/；=50HZ为定子磁场频率;/2为励磁电流频率;/m为转子机械频率，Zm的范围为45?55Hz。
[0007]可变速水轮发电机为立式三相变速发电机，采用全密闭循环空气冷却器系统，发电机为立轴悬式机组。
[0008]发电机具体参数如下:
额定功率:6500kW 额定电压:6300V 额定电流:744.6A 额定频率:50 Hz 额定功率因数:0.8(滞后)
额定转速:250r/min 飞逸转速:500r/min 相数:3 短路比:0.96 旋转方向:俯视为顺时针
可变速水轮发电机根据水头的变化由交流励磁装置来调节励磁电流的频率，用以弥补水头变化带来的发电机转速的变化，从而有效地调节水轮机工作在高效率区；机组既可以实现亚同步发电又可实现超同步发电。
[0009]四、 【专利附图】
【附图说明】 图1为发电机总装图；
示意图中的零部件标号说明:
I集电环2刷架3上机架4转子5定子6空气冷却器7制动器8下机架 图2为发电机外形图；
示意图中的零部件标号说明:
3上机架6空气冷却器8下机架 图3为图1中发电机转子4的装配图；
示意图中的零部件标号说明:
20转轴21磁轭22磁极23风扇24发电机引接线 图4为图1中发电机定子5的装配图；
示意图中的零部件标号说明:
30出线夹31定子铁心32汇流排33支架34定子线圈 图5为图1中发电机上机架3的装配图；
示意图中的零部件标号说明:
40上机架冷却器进水管41推力瓦42推力轴承43上机架密封盖44上导轴承45上机架油冷却器
图6为图1中发电机下机架8的装配图；
示意图中的零部件标号说明:50下机架密封盖51下导轴承52下油盘53下机架油冷却器
图7为可变速水轮发电机组工作原理。
[0010]五、 【具体实施方式】
下面结合附图对本发明作进一步描述。
[0011]如图1和图2所示，发电机的结构为立式结构，由定子5、转子4、上机架3、下机架8、空气冷却器6、制动器7以及集电环I和刷架2等部件组成。
[0012]图3为图1中发电机的转子4的装配设计图。发电机转子4采用三相绕线式设计，由转轴20、磁轭21、磁极22及风扇23等组成，转子上、下端装有斗式风扇23供排除定子5、转子4内热风，转子4绝缘等级为F级，转子4绕组通过电机引接线24和固定在轴端的集电环I相连，再通过刷架2里的电刷和交流励磁装置相连接。
[0013]图4为图1中发电机的定子5的装配图纸，发电机定子5由机座、定子铁芯31及定子线圈34等组成，装压铁芯及嵌线后与机座合为一整体。定子绕组经固定在支架33上的汇流排32到出线夹30与外部设备相连。机座由钢板焊接，机座上、下共有四个机座环板，环板间用筋板连接以加强结构刚度和作为铁芯支靠。机座最大外径为3.8m,高为1.845m,机座外壁装有4个矩形孔，供4个空气冷却器冷却用。
[0014]图5为图1中发电机的上机架3的装配图，上机架为发电机的载重机架，它位于转子4上部的定子5上。上机架3主要包含推力瓦41、推力轴承42、上机架密封盖43、上导轴承44、上机架油冷却器45等部件，冷却的进水管40也位于上机架上。
[0015]图6为图1中发电机的下机架8。下机架8主要包括下机架密封盖50、下导轴承51、下油盘52、下机架油冷却器53等部件。本机具有一个推力轴承和两个导轴承。上导轴承44和推力轴承41位于上机架油盘内，下导轴承51位于下机架油盘内。
[0016]图7为可变速水轮发电机组工作原理图，从图中可以看到机组的工作原理:交流励磁装置经励磁变压器从电网取电，给可变速水轮发电机转子提供三相交流励磁电流。根据水头变化情况，综合自动化系统给交流励磁装置下达转速指令，通过交流励磁装置调节可变速水轮发电机励磁电流频率的大小，使机组运行在最优单位转速附近。从而，提高了水轮发电机组的运行效率，减少了水轮发电机组的振动、气蚀、磨损，延长了机组使用寿命。
[0017]综合自动化系统向调速器下达有功指令，通过调速器调节导叶开度，以达到机组功率调节的目的。
[0018]本发明可广泛用于水头变幅较大的水电站，可有效提高机组的运行效率，减少机组振动、水轮机叶片气蚀磨损。
[0019]本发明不限于上述实施方式，采用与本发明上述实施例相同或近似的结构，且应用于水电领域，均在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种交流励磁兆瓦级可变速水轮发电机，其特征在于发电机转子(4)采用三相绕线式设计，通过交流励磁装置为其提供三相交流励磁电流。
2.如权利要求1所述的可变速水轮发电机，其特征在于机组运行时，发电机转子(4)机械频率范围为45~55Hz。
3.如权利要求1和2所述的可变速水轮发电机，其特征在于机组在水头发生变化时，通过交流励磁装置调节可变速水轮发电机励磁电流频率的大小，使机组运行在最优单位转速附近，且满足如下关系式: fl =f1+fm 注:/；=50HZ为定子磁场频率;/2为励磁电流频率;/m为转子机械频率，Zm的范围为45~55Hz。
4.如权利要求1所述的可变速水轮发电机，其结构为立式，主要由定子(5)、转子(4)、上机架(3)、下机架(8)、集电环(1)、刷架(2)等部件组成，本机具有一个推力轴承和两个导轴承，采用4个空气冷却器(6)冷却。
5.如权利要求1所述的可变速水轮发电机，其转子(4)由转轴(20)、磁轭(21)、磁极(22)、风扇(23)以及发电机引接线(24)等组成，转子(4)上、下端装有斗式风扇(23)供排除定子(5)、转子(4)内热风，转子(4)绝缘等级为F级。
【文档编号】H02K1/22GK103701235SQ201310085408
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年3月18日 优先权日:2013年3月18日
【发明者】苗立杰, 高超, 王福家, 赵云凯, 赵一军, 范磊, 张岩, 吴光宇, 刘壮志 申请人:哈电发电设备国家工程研究中心有限公司