大型汽轮发电机试验用牵引装置的研制

2013-12-10蔡恒川翁祥玲张华伟

上海大中型电机 2013年4期

蔡恒川，翁祥玲，张华伟

(山东齐鲁电机制造有限公司，山东济南 250100)

0 引言

汽轮发电机整机试验是质量控制的最重要环节。在大型汽轮发电机的整机试验中，为保证产品质量，大型汽轮发电机试验用牵引装置是必不可少的。

此次开发的大型汽轮发电机试验用牵引装置的额定功率为6 000 kW，最高转速设计为4 320 r/min，可兼顾60 Hz两极全速发电机的试验要求。可适应于冷却介质温度不超过40℃，少尘埃、无蒸汽、酸、碱等腐蚀性气体的室内环境中工作，采用变频电源满足电机的起动和调速要求。

1 方案设计

该牵引装置主要由大功率高压变频同步电动机、盘车装置、安装底架、变频电源等部件组成，电动机和盘车装置安装在底架上，可满足220 MW和330 MW空冷汽轮发电机和600 MW氢冷汽轮发电机的试验要求，电动机的进、出风口均位于电动机上方，采用风机强制通风冷却。外形图如图1所示。

设计方案经过了优化，各项性能指标兼顾合理:

1)电动机设计为隐极式三相同步电动机，具有转速稳定、功率因数可调、效率高、运行稳定性高等优点［1］，绝缘规范采用我公司10 kV绝缘规范，绝缘结构按F级设计B级考核。定子线圈选用玻璃丝包漆包线SBEB-20/155，主绝缘厚度4.5 mm，定子冲片选用50W350，转子采用优质合金钢整体锻造而成，转子导线为软扁铜线TBR，定、转子设计温升都不超过70 K，定子线负荷540 A/cm，转子线负荷890 A/cm。

2)电动机起动前后都需要投入盘车，盘车装置转速为5～6 r/min。

3)安装底架采用钢板焊接而成，电动机和盘车装置都固定在底架上，固定好后，不需要再调整，这样电动机和盘车装置就可以同底架一起整体调整移动，安装方便、快捷。

4)大型同步电动机的起动是个相当复杂的问题，进行变频起动，是比较理想的方法［2］，结合现有条件，变频电源选用大功率变频发电机组。

2 结构设计特点

2.1 大功率高压变频同步电动机

该电动机设计为隐极式三相同步电动机，额定功率为6 000 kW，额定电压为10 kV，额定功率因数为0.9(超前)，最高转速设计为4 320 r/min，主要由定子、转子、轴承和刷架等主要部件组成。

2.1.1 定子

定子由机座、铁心、绕组、内外端盖和风机等组成。机座和外端盖采用钢板焊接结构，铁心为内压装结构。进、出风口位于电动机上方，进风口采用风机强制通风，出风口处设计有带过滤网的出风罩。出风罩高于风机，可避免排出的热风由风机吸入电动机内部、降低冷却效果，同时防止杂物落入电动机内部造成安全事故。线圈支架和挡风板选用高强度耐高温绝缘材料。为防止频繁起停引起定子端部松动，线圈支架采用端箍加固。内端盖采用环氧玻璃钢材料，引导冷却空气的流向，有效冷却线圈端部。出线方式设计为侧出线，方便工作人员操作。

2.1.2 转子

转子主要由转轴、转子绕组、护环、中心环、转子槽楔和集电环等部件组成。

60 Hz两极全速汽轮发电机的超速试验时，转速达到4 320 r/min。这势必对电动机旋转部分转子的机械性能提出更高的要求。为此，转子设计为隐极式圆柱结构。转轴运行时要承受很大的离心力、弯曲应力和扭转应力，采用高强度优质合金钢整体锻造而成。护环为优质反磁钢材料。励磁引线则全部位于中心孔内，不在转子表面开槽。此外，根据计算值，转子轴、中心环、护环之间的配合紧量(直径之差)选取了合适的过盈量，防止超速试验时脱开。

转子集电环位于励端，通过导电螺栓和励磁引线与转子线圈连接。由于采用外部强制通风冷却，转子上不再安装有风扇。护环轴向通过挡板固定，挡板上留有放置平衡块的位置。转子槽楔选用整长铜槽楔。护环下面设计有阻尼环，阻尼环一端上的阻尼齿与转子槽楔内表面接触。阻尼环的另一端与护环的内圆面接触。阻尼环与转子槽楔内表面接触的一端设有弹性装置。弹性装置与绝缘垫条的外表面接触。装配时，同步电动机的转子端部放置阻尼环，阻尼环的端部外侧由护环压紧。转子槽楔的材料采用铜镍合金，导电性能良好、机械强度高。阻尼环的材料采用铜银合金。阻尼环表面进行镀银处理、形成镀银层，材料具有抗蠕变性能好、导电性能优良的特点，降低了转子槽楔和阻尼环之间的接触电阻，能满足电动机频繁起停的要求。弹簧装置的弹力增大了转子槽楔和阻尼环的阻尼齿之间的接触力，使得两接触面接触良好，从而减小了接触电阻，增强了导电性能。这样由槽楔、阻尼环和护环组成了闭合鼠笼，构成电动机异步起动系统，提高电动机的起动能力。起动鼠笼结构示意图见图2。

图2 起动鼠笼结构示意图

2.1.3 轴承和刷架

轴承选用座式滑动轴承，带高压顶轴油装置，以降低起动转矩。其中前轴承设计为止推轴承，防止由于被试汽轮发电机磁拉力引起的转子轴向窜动。轴承盖上装有测振支架，供安装测振元件用。轴承内部负压设计合理，保证了出油顺畅，有效地防止了由于运行时轴承漏油而污染试验平台的想象发生。

电刷支架采用钢板焊接结构，更换电刷方便、快捷。刷架下方设计有方孔，电刷碳粉直接落入底架下方，便于清理。

2.2 安装底架

安装底架主要由钢板焊接的底架、调整螺钉、地脚螺栓、压铁螺栓和压铁等零部件组成。底架采用钢板焊接而成，有足够的强度和刚度。电动机和盘车装置都固定在底架上。固定好后，不需要再调整。这样电动机及盘车装置就可以同底架一起整体调整移动，安装方便、快捷。底架可通过地脚螺栓和压铁两种连接方式固定在试验台上。当牵引装置安装位置固定，不常调整时，可采用地脚螺栓与试验台固定。当牵引装置用于调整和移动比较频繁的场合时，可采用安装方式相对简单的压铁固定。该底架底部安装有调整螺钉，通过旋转调整螺钉，调整其高度，可以方便快速地找平和调整拖动电机中心高。底架外形图如图3所示。

2.3 盘车装置

电动机起动时，为减小起动转矩，投入盘车装置将电动机转速盘至5～6 r/min，再投入变频电源进行起动。当电动机的转速高于盘车转速时，盘车装置自动脱开。热平衡实验时，试验结束后，电动机电源切断，此时还需投入盘车装置，使转子继续缓慢转动，防止转子产生热弯曲。盘车装置具有自动投运功能，可遥控，并具有自动投运盘车和点动盘车功能。

2.4 变频电源

变频电源用于同步电动机的起动，并可根据汽轮发电机试验要求调节同步电动机转速。变频电源由变频发电机组提供。变频发电机组由通过靠背轮连接的直流电动机和交流发电机G1构成。通过电流I调节直流电动机和交流发电机G1的转速，进而调节交流发电机G1的频率。通过励磁电流If1来调节交流发电机G1的电压。频率和电压必须匹配，否则会因为电源机组G磁饱和而产生电磁噪声。变频发电机组工作原理图如图4所示。