大型汽輪發(fā)電機試驗用牽引裝置的研制

蔡恒川，翁祥玲，張華偉

(山東齊魯電機制造有限公司，山東濟南 250100)

0 引言

汽輪發(fā)電機整機試驗是質(zhì)量控制的最重要環(huán)節(jié)。在大型汽輪發(fā)電機的整機試驗中，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，大型汽輪發(fā)電機試驗用牽引裝置是必不可少的。

此次開發(fā)的大型汽輪發(fā)電機試驗用牽引裝置的額定功率為6 000 kW，最高轉(zhuǎn)速設計為4 320 r/min，可兼顧60 Hz兩極全速發(fā)電機的試驗要求。可適應于冷卻介質(zhì)溫度不超過40℃，少塵埃、無蒸汽、酸、堿等腐蝕性氣體的室內(nèi)環(huán)境中工作，采用變頻電源滿足電機的起動和調(diào)速要求。

1 方案設計

該牽引裝置主要由大功率高壓變頻同步電動機、盤車裝置、安裝底架、變頻電源等部件組成，電動機和盤車裝置安裝在底架上，可滿足220 MW和330 MW空冷汽輪發(fā)電機和600 MW氫冷汽輪發(fā)電機的試驗要求，電動機的進、出風口均位于電動機上方，采用風機強制通風冷卻。外形圖如圖1所示。

設計方案經(jīng)過了優(yōu)化，各項性能指標兼顧合理:

1)電動機設計為隱極式三相同步電動機，具有轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、功率因數(shù)可調(diào)、效率高、運行穩(wěn)定性高等優(yōu)點［1］，絕緣規(guī)范采用我公司10 kV絕緣規(guī)范，絕緣結(jié)構(gòu)按F級設計B級考核。定子線圈選用玻璃絲包漆包線SBEB-20/155，主絕緣厚度4.5 mm，定子沖片選用50W350，轉(zhuǎn)子采用優(yōu)質(zhì)合金鋼整體鍛造而成，轉(zhuǎn)子導線為軟扁銅線TBR，定、轉(zhuǎn)子設計溫升都不超過70 K，定子線負荷540 A/cm，轉(zhuǎn)子線負荷890 A/cm。

2)電動機起動前后都需要投入盤車，盤車裝置轉(zhuǎn)速為5～6 r/min。

3)安裝底架采用鋼板焊接而成，電動機和盤車裝置都固定在底架上，固定好后，不需要再調(diào)整，這樣電動機和盤車裝置就可以同底架一起整體調(diào)整移動，安裝方便、快捷。

4)大型同步電動機的起動是個相當復雜的問題，進行變頻起動，是比較理想的方法［2］，結(jié)合現(xiàn)有條件，變頻電源選用大功率變頻發(fā)電機組。

2 結(jié)構(gòu)設計特點

2.1 大功率高壓變頻同步電動機

該電動機設計為隱極式三相同步電動機，額定功率為6 000 kW，額定電壓為10 kV，額定功率因數(shù)為0.9(超前)，最高轉(zhuǎn)速設計為4 320 r/min，主要由定子、轉(zhuǎn)子、軸承和刷架等主要部件組成。

2.1.1 定子

定子由機座、鐵心、繞組、內(nèi)外端蓋和風機等組成。機座和外端蓋采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，鐵心為內(nèi)壓裝結(jié)構(gòu)。進、出風口位于電動機上方，進風口采用風機強制通風，出風口處設計有帶過濾網(wǎng)的出風罩。出風罩高于風機，可避免排出的熱風由風機吸入電動機內(nèi)部、降低冷卻效果，同時防止雜物落入電動機內(nèi)部造成安全事故。線圈支架和擋風板選用高強度耐高溫絕緣材料。為防止頻繁起停引起定子端部松動，線圈支架采用端箍加固。內(nèi)端蓋采用環(huán)氧玻璃鋼材料，引導冷卻空氣的流向，有效冷卻線圈端部。出線方式設計為側(cè)出線，方便工作人員操作。

2.1.2 轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子主要由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子繞組、護環(huán)、中心環(huán)、轉(zhuǎn)子槽楔和集電環(huán)等部件組成。

60 Hz兩極全速汽輪發(fā)電機的超速試驗時，轉(zhuǎn)速達到4 320 r/min。這勢必對電動機旋轉(zhuǎn)部分轉(zhuǎn)子的機械性能提出更高的要求。為此，轉(zhuǎn)子設計為隱極式圓柱結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)軸運行時要承受很大的離心力、彎曲應力和扭轉(zhuǎn)應力，采用高強度優(yōu)質(zhì)合金鋼整體鍛造而成。護環(huán)為優(yōu)質(zhì)反磁鋼材料。勵磁引線則全部位于中心孔內(nèi)，不在轉(zhuǎn)子表面開槽。此外，根據(jù)計算值，轉(zhuǎn)子軸、中心環(huán)、護環(huán)之間的配合緊量(直徑之差)選取了合適的過盈量，防止超速試驗時脫開。

轉(zhuǎn)子集電環(huán)位于勵端，通過導電螺栓和勵磁引線與轉(zhuǎn)子線圈連接。由于采用外部強制通風冷卻，轉(zhuǎn)子上不再安裝有風扇。護環(huán)軸向通過擋板固定，擋板上留有放置平衡塊的位置。轉(zhuǎn)子槽楔選用整長銅槽楔。護環(huán)下面設計有阻尼環(huán)，阻尼環(huán)一端上的阻尼齒與轉(zhuǎn)子槽楔內(nèi)表面接觸。阻尼環(huán)的另一端與護環(huán)的內(nèi)圓面接觸。阻尼環(huán)與轉(zhuǎn)子槽楔內(nèi)表面接觸的一端設有彈性裝置。彈性裝置與絕緣墊條的外表面接觸。裝配時，同步電動機的轉(zhuǎn)子端部放置阻尼環(huán)，阻尼環(huán)的端部外側(cè)由護環(huán)壓緊。轉(zhuǎn)子槽楔的材料采用銅鎳合金，導電性能良好、機械強度高。阻尼環(huán)的材料采用銅銀合金。阻尼環(huán)表面進行鍍銀處理、形成鍍銀層，材料具有抗蠕變性能好、導電性能優(yōu)良的特點，降低了轉(zhuǎn)子槽楔和阻尼環(huán)之間的接觸電阻，能滿足電動機頻繁起停的要求。彈簧裝置的彈力增大了轉(zhuǎn)子槽楔和阻尼環(huán)的阻尼齒之間的接觸力，使得兩接觸面接觸良好，從而減小了接觸電阻，增強了導電性能。這樣由槽楔、阻尼環(huán)和護環(huán)組成了閉合鼠籠，構(gòu)成電動機異步起動系統(tǒng)，提高電動機的起動能力。起動鼠籠結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2 起動鼠籠結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.3 軸承和刷架

軸承選用座式滑動軸承，帶高壓頂軸油裝置，以降低起動轉(zhuǎn)矩。其中前軸承設計為止推軸承，防止由于被試汽輪發(fā)電機磁拉力引起的轉(zhuǎn)子軸向竄動。軸承蓋上裝有測振支架，供安裝測振元件用。軸承內(nèi)部負壓設計合理，保證了出油順暢，有效地防止了由于運行時軸承漏油而污染試驗平臺的想象發(fā)生。

電刷支架采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，更換電刷方便、快捷。刷架下方設計有方孔，電刷碳粉直接落入底架下方，便于清理。

2.2 安裝底架

安裝底架主要由鋼板焊接的底架、調(diào)整螺釘、地腳螺栓、壓鐵螺栓和壓鐵等零部件組成。底架采用鋼板焊接而成，有足夠的強度和剛度。電動機和盤車裝置都固定在底架上。固定好后，不需要再調(diào)整。這樣電動機及盤車裝置就可以同底架一起整體調(diào)整移動，安裝方便、快捷。底架可通過地腳螺栓和壓鐵兩種連接方式固定在試驗臺上。當牽引裝置安裝位置固定，不常調(diào)整時，可采用地腳螺栓與試驗臺固定。當牽引裝置用于調(diào)整和移動比較頻繁的場合時，可采用安裝方式相對簡單的壓鐵固定。該底架底部安裝有調(diào)整螺釘，通過旋轉(zhuǎn)調(diào)整螺釘，調(diào)整其高度，可以方便快速地找平和調(diào)整拖動電機中心高。底架外形圖如圖3所示。

2.3 盤車裝置

電動機起動時，為減小起動轉(zhuǎn)矩，投入盤車裝置將電動機轉(zhuǎn)速盤至5～6 r/min，再投入變頻電源進行起動。當電動機的轉(zhuǎn)速高于盤車轉(zhuǎn)速時，盤車裝置自動脫開。熱平衡實驗時，試驗結(jié)束后，電動機電源切斷，此時還需投入盤車裝置，使轉(zhuǎn)子繼續(xù)緩慢轉(zhuǎn)動，防止轉(zhuǎn)子產(chǎn)生熱彎曲。盤車裝置具有自動投運功能，可遙控，并具有自動投運盤車和點動盤車功能。

2.4 變頻電源

變頻電源用于同步電動機的起動，并可根據(jù)汽輪發(fā)電機試驗要求調(diào)節(jié)同步電動機轉(zhuǎn)速。變頻電源由變頻發(fā)電機組提供。變頻發(fā)電機組由通過靠背輪連接的直流電動機和交流發(fā)電機G1構(gòu)成。通過電流I調(diào)節(jié)直流電動機和交流發(fā)電機G1的轉(zhuǎn)速，進而調(diào)節(jié)交流發(fā)電機G1的頻率。通過勵磁電流If1來調(diào)節(jié)交流發(fā)電機G1的電壓。頻率和電壓必須匹配，否則會因為電源機組G磁飽和而產(chǎn)生電磁噪聲。變頻發(fā)電機組工作原理圖如圖4所示。

圖3 底架外形圖

圖4 變頻發(fā)電機組工作原理圖

3 結(jié)語

該大型汽輪發(fā)電機試驗用牽引裝置的研發(fā)試制成功，將提高汽輪發(fā)電機整機試驗能力，保證大型汽輪發(fā)電機的產(chǎn)品質(zhì)量，同時有助于提升同步電動機的研發(fā)生產(chǎn)能力，為同步電動機向更大容量、汽輪發(fā)電機組向變頻起動方向發(fā)展提供了寶貴經(jīng)驗。

［1］機械工程手冊電機工程手冊編輯委員會.電機工程手冊［M］.機械工業(yè)出版社，1996.

［2］王志坤，黃志剛.同步電動機變頻起動中的典型故障［J］.變壓器世界，2005(9).