蔡恒川，翁祥玲，張華偉

(山東齊魯電機(jī)制造有限公司，山東濟(jì)南 250100)

0 引言

汽輪發(fā)電機(jī)整機(jī)試驗(yàn)是質(zhì)量控制的最重要環(huán)節(jié)。在大型汽輪發(fā)電機(jī)的整機(jī)試驗(yàn)中，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，大型汽輪發(fā)電機(jī)試驗(yàn)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(jī)試驗(yàn)用牽引裝置的額定功率為6 000 kW，最高轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)為4 320 r/min，可兼顧60 Hz兩極全速發(fā)電機(jī)的試驗(yàn)要求。可適應(yīng)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(jī)的起動和調(diào)速要求。

1 方案設(shè)計(jì)

該牽引裝置主要由大功率高壓變頻同步電動機(jī)、盤車裝置、安裝底架、變頻電源等部件組成，電動機(jī)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(jī)和600 MW氫冷汽輪發(fā)電機(jī)的試驗(yàn)要求，電動機(jī)的進(jìn)、出風(fēng)口均位于電動機(jī)上方，采用風(fēng)機(jī)強(qiáng)制通風(fēng)冷卻。外形圖如圖1所示。

設(shè)計(jì)方案經(jīng)過了優(yōu)化，各項(xiàng)性能指標(biāo)兼顧合理:

1)電動機(jī)設(shè)計(jì)為隱極式三相同步電動機(jī)，具有轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、功率因數(shù)可調(diào)、效率高、運(yùn)行穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)［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(shè)計(jì)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(dǎo)線為軟扁銅線TBR，定、轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)溫升都不超過70 K，定子線負(fù)荷540 A/cm，轉(zhuǎn)子線負(fù)荷890 A/cm。

2)電動機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)的起動是個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的問題，進(jìn)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(jī)組。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

2.1 大功率高壓變頻同步電動機(jī)

該電動機(jī)設(shè)計(jì)為隱極式三相同步電動機(jī)，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(shè)計(jì)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(jī)座、鐵心、繞組、內(nèi)外端蓋和風(fēng)機(jī)等組成。機(jī)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(jìn)、出風(fēng)口位于電動機(jī)上方，進(jìn)風(fēng)口采用風(fēng)機(jī)強(qiáng)制通風(fēng)，出風(fēng)口處設(shè)計(jì)有帶過濾網(wǎng)的出風(fēng)罩。出風(fēng)罩高于風(fēng)機(jī)，可避免排出的熱風(fēng)由風(fēng)機(jī)吸入電動機(jī)內(nèi)部、降低冷卻效果，同時(shí)防止雜物落入電動機(jī)內(nèi)部造成安全事故。線圈支架和擋風(fēng)板選用高強(qiáng)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(dǎo)冷卻空氣的流向，有效冷卻線圈端部。出線方式設(shè)計(jì)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(hù)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(jī)的超速試驗(yàn)時(shí)，轉(zhuǎn)速達(dá)到4 320 r/min。這勢必對電動機(jī)旋轉(zhuǎn)部分轉(zhuǎn)子的機(jī)械性能提出更高的要求。為此，轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)為隱極式圓柱結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)軸運(yùn)行時(shí)要承受很大的離心力、彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，采用高強(qiáng)度優(yōu)質(zhì)合金鋼整體鍛造而成。護(hù)環(huán)為優(yōu)質(zhì)反磁鋼材料。勵(lì)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(jì)算值，轉(zhuǎn)子軸、中心環(huán)、護(hù)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(yàn)時(shí)脫開。

轉(zhuǎn)子集電環(huán)位于勵(lì)端，通過導(dǎo)電螺栓和勵(lì)磁引線與轉(zhuǎn)子線圈連接。由于采用外部強(qiáng)制通風(fēng)冷卻，轉(zhuǎn)子上不再安裝有風(fēng)扇。護(hù)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(hù)環(huán)下面設(shè)計(jì)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(hù)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(shè)有彈性裝置。彈性裝置與絕緣墊條的外表面接觸。裝配時(shí)，同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子端部放置阻尼環(huán)，阻尼環(huán)的端部外側(cè)由護(hù)環(huán)壓緊。轉(zhuǎn)子槽楔的材料采用銅鎳合金，導(dǎo)電性能良好、機(jī)械強(qiáng)度高。阻尼環(huán)的材料采用銅銀合金。阻尼環(huán)表面進(jìn)行鍍銀處理、形成鍍銀層，材料具有抗蠕變性能好、導(dǎo)電性能優(yōu)良的特點(diǎn)，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(jī)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(qiáng)了導(dǎo)電性能。這樣由槽楔、阻尼環(huán)和護(hù)環(huán)組成了閉合鼠籠，構(gòu)成電動機(jī)異步起動系統(tǒng)，提高電動機(jī)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(shè)計(jì)為止推軸承，防止由于被試汽輪發(fā)電機(jī)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(fù)壓設(shè)計(jì)合理，保證了出油順暢，有效地防止了由于運(yùn)行時(shí)軸承漏油而污染試驗(yàn)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(shè)計(jì)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(qiáng)度和剛度。電動機(jī)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(jī)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(yàn)臺上。當(dāng)牽引裝置安裝位置固定，不常調(diào)整時(shí)，可采用地腳螺栓與試驗(yàn)臺固定。當(dāng)牽引裝置用于調(diào)整和移動比較頻繁的場合時(shí)，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(jī)中心高。底架外形圖如圖3所示。

2.3 盤車裝置

電動機(jī)起動時(shí)，為減小起動轉(zhuǎn)矩，投入盤車裝置將電動機(jī)轉(zhuǎn)速盤至5～6 r/min，再投入變頻電源進(jìn)行起動。當(dāng)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速高于盤車轉(zhuǎn)速時(shí)，盤車裝置自動脫開。熱平衡實(shí)驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束后，電動機(jī)電源切斷，此時(shí)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(yùn)功能，可遙控，并具有自動投運(yùn)盤車和點(diǎn)動盤車功能。

2.4 變頻電源

變頻電源用于同步電動機(jī)的起動，并可根據(jù)汽輪發(fā)電機(jī)試驗(yàn)要求調(diào)節(jié)同步電動機(jī)轉(zhuǎn)速。變頻電源由變頻發(fā)電機(jī)組提供。變頻發(fā)電機(jī)組由通過靠背輪連接的直流電動機(jī)和交流發(fā)電機(jī)G1構(gòu)成。通過電流I調(diào)節(jié)直流電動機(jī)和交流發(fā)電機(jī)G1的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)交流發(fā)電機(jī)G1的頻率。通過勵(lì)磁電流If1來調(diào)節(jié)交流發(fā)電機(jī)G1的電壓。頻率和電壓必須匹配，否則會因?yàn)殡娫礄C(jī)組G磁飽和而產(chǎn)生電磁噪聲。變頻發(fā)電機(jī)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(jī)組工作原理圖

3 結(jié)語

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

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

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