汽輪發電機

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汽輪發電機是中國的一個科技名詞。

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目錄

名詞解釋

汽輪發電機（steam turbine generator）是指用汽輪機驅動的發電機。由鍋爐產生的過熱蒸汽進入汽輪機內膨脹做功，使葉片轉動而帶動發電機發電，做功後的廢汽經凝汽器、循環水泵、凝結水泵、給水加熱裝置等送回鍋爐循環使用。

原理

汽輪發電機是由汽輪機作原動機拖動轉子旋轉，利用電磁感應原理把機械能轉換成電能的發電設備。發電機轉子繞組內通入直流電流後，便建立轉子磁場，這個磁場稱主磁場，它隨着汽輪發電機轉子旋轉。其磁通自轉子的一個磁極出來，經過空氣隙、定子鐵芯、空氣隙，再進入轉子另一個相鄰磁極，從而構成主磁通迴路。由於發電機轉子隨着汽輪機轉動，發電機磁極旋轉一周，主磁極的磁力線被裝在定子鐵芯內的u、v、w三相繞組(導線)依次切割，根據電磁感應定律，在定子三相繞組內感應出相位不同的三相交變電動勢。

假設汽輪發電機轉子具有一對磁極(即一個N極、一個S極)，當汽輪發電機轉子與汽輪機轉子同軸高速旋轉時，如汽輪機以3000轉/分旋轉時，這樣發電機轉子以50周/秒的恆速旋轉，磁極極性也要變化50次，那麼在發電機定子繞組內感應電動勢也變化50次，同時在定子三相繞組內感應出相位不同的三相交變電動勢，即頻率為50赫茲的三相交變電動勢。這時若將發電機定子三相繞組末端(即中性點)連在一起接地，而將發電機定子三相繞組的首端引出線與用電設備連接，就會有電流流過，這個過程即為汽輪機轉子輸入的機械能轉換為電能的過程。

結構

火力發電廠或核能發電廠的汽輪發電機皆採用臥式結構，如圖1所示，發電機與汽輪機、勵磁機等配套組成同軸運轉的汽輪發電機組。汽輪發電機最基本的組成部件是定子、轉子、勵磁系統和冷卻系統。

定子

汽輪發電機的定子如圖2所示，由定子鐵芯、定子繞組、機座等部件組成。

(1)定子鐵芯。定子鐵芯是構成磁路並固定定子繞組的重要部件，通常由0.5mm或3.5mm厚、導磁性能良好的冷軋硅鋼片疊壓而成。大型汽輪發電機的定子鐵芯尺寸很大，硅鋼片沖成扇形，再用多片拼裝成圓形。

(2)定子繞組。定子繞組嵌放在定子鐵芯內圓的定子槽中，分三相布置，互成120°角度，以保證轉子旋轉時在三相定子繞組中產生互成120°相位差的電動勢。每個槽內放有上下兩組絕緣導體(亦稱線棒)，每個線棒分為直線部分(置於鐵芯槽內)和兩個端接部分。直線部分是切割磁力線並產生感應電動勢的導體有效邊，線棒端接部分則起到連接作用，把相關線棒按照一定的規律連接起來，構成發電機的定子三相繞組。中、小型汽輪發電機的定子線棒均為實心線棒，而大型汽輪發電機由於散熱的需要，多採用內部冷卻的線棒，譬如由若干實心線棒和可通水的空心線棒並聯組成。

(3)機座及端蓋。機座的作用是支撐和固定發電機定子鐵芯。機座一般用鋼板焊接而成，必須有足夠的強度和剛度，並能滿足通風散熱的要求。端蓋的作用是將發電機本體的兩端封蓋起來，並與機座、定子鐵芯和轉子一起構成發電機內部完整的通風系統。

轉子

汽輪發電機的轉子如圖3所示，主要由轉子鐵芯、勵磁繞組(轉子繞組)、護環和風扇等組成，是汽輪發電機最重要的部件之一。由於汽輪發電機轉速高，轉子受的離心力很大，所以轉子都呈細長形，且製成隱極式的，以便更好地固定勵磁繞組。

(1)轉子鐵芯。發電機轉子本體採用高強度、導磁性能良好的合金鋼加工而成。沿轉子本體表面軸向銑出用於放置勵磁繞組的凹槽。槽的排列方式一般為輻射式，槽與槽之間的部分為齒，俗稱小齒。未加工的部分通稱大齒，大齒作為磁極的極身，是主磁通必經之路。

(2)勵磁繞組。勵磁繞組為若干個線圈組成的同心式繞組，線圈則用矩形扁銅線繞制而成。勵磁繞組放在槽內後，繞組的直線部分用槽楔壓緊，端部徑向固定採用護環，軸向固定採用雲母塊和中心環。勵磁繞組的引出線經導電杆連接到集電環上，再經過電刷引出。

(3)護環和中心環。汽輪發電機轉速很高，勵磁繞組端部承受很大的離心力，所以要用護環和中心環來緊固。護環把勵磁繞組端部套緊，使繞組端部不發生徑向位移和變形；中心環用以支持護環，並防止端部的軸向移動。

(4)集電環。集電環分為正、負兩個集電環，由堅硬耐磨的合金鍛鋼製成，裝於發電機轉子的勵磁端外側。正、負兩個集電環分別通過引線接到勵磁繞組的兩端，並借電刷裝置引至發電機勵磁系統上。

(5)風扇。風扇裝於發電機轉子的兩端，用以加快氣體在定子鐵芯和轉子部分的循環，提高冷卻效果。

冷卻系統

發電機運行時，其內部產生的各種損耗會轉化為熱能，引起發電機發熱。尤其是大型汽輪發電機，因其結構細長，中部熱量不易散發，發熱問題更顯得嚴重。如果發電機溫度過高，會直接影響絕緣的使用壽命，因此冷卻對於大型汽輪發電機是非常重要的問題。

勵磁系統

勵磁系統的主要作用是：

①發電機正常運轉時，按主機負荷情況供給和自動調節勵磁電流，以維持一定的端電壓和無功功率的輸出。

②發電機並列運行時，使無功功率分配合理。

③當系統發生突然短路故障時，能對發電機進行強勵，以提高系統運行的穩定性。短路故障切除後，使電壓迅速恢復正常。

④當發電機負荷突減時，能進行強行減磁，以防止電壓過分升高。

⑤發電機發生內部故障，如匝間短路或轉子發生兩點接地故障時，能夠對發電機自動減磁或滅磁。