能自行起动的双速同步发电-电动机制造技术

本发明专利技术提出一种能自行起动的变极双速同步发电－电动机，其机械结构和单速凸极同步电机一样，可不装阻尼笼，制造容易，不需要任何附加的起动装备，便能全电压直接起动，起动电流小，起动转矩大，容易牵入同步，并有消除励磁绕组过电压，机组动态稳定性高，作发电机时电压波形好等优点。适合用于抽水蓄能电站。（*该技术在2013年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于同步发电-电动机的结构、绕组连接和作电动机用时的起动方法。抽水蓄能电站自问世以来已有一百多年的历史，长期的实践使人们逐步认识到它的优越性。在火电及核电为主的系统中，建设一定容量的抽水蓄能电站，以高效机组的低谷电量代替火电尖峰负荷，总的说来还是经济的，再因抽水蓄能机组起停方便而迅速，具有很大灵活性，使它成为现代大型电力系统不可缺少的组成部分。抽水蓄能电站所用同步发电-电动机组，简称蓄能机组的研制必须解决很多重大技术问题，其中最关键的是作电动机运行时的起动问题。起动问题解决得好坏，直接影响电站的投资多少和运行质量，因此长期以来是抽水蓄能电站建设的一个重点研究课题。其次是作发电机运行时的电压波形和动态稳定性问题，其好坏影响电站供电的质量和供电的能力。第三是励磁绕组的过电压问题，它影响电站运行的可靠性。第四是蓄能机组的年平均效率，它直接影响电站运行的费用。抽水蓄能电站所用机组有三种形式，即四机式、三机式和二机式。当代世界上最流行的蓄能机组是二机式。所谓二机式是指发电机与电动机合一，构成同步发电-电动机，而水轮机与水泵合一，构成水泵-水轮机，二者同轴，正转时为发电机-水轮机，而反转时为电动机-水泵，称为可逆式机组。由于二机式投资省和控制方便，近年来多数采用二机式机组。因此二机式机组是发展的大趋势。在同步发电-电动机与水轮机-水泵同轴旋转的二机式机组中，存在一个“变极、不变极”即“双速、单速”问题。从机组效率和可靠性来看。过去，为提高水泵-水轮机的效率，大多数机组采用变极双速同步发电-电动机，作电动机-水泵运行时的转速略高于作水轮机-发电机运行时的转速。与单速机组比较，可使机组效率提高2-6%，并减小水泵-水轮机的振动和汽蚀，因而提高机组运行的可靠性。但近年来，由于认为变极双速同步电机太复杂、不易制造，以及水泵-水轮机的制造技术提高，允许采用单一转速，因此国外倾向于采用不变极的单速机组，而宁愿牺牲前述采用变极双速机组带来的提高机组效率和运行可靠性的好处。在二机式机组中的另一重大问题是作电动机运行时的起动问题。长期以来，国外为解决蓄能机组的起动问题进行了大量工作。此问题解决的好坏，从下述两方面来评价，第一是起动所需附加设备的成本，第二是起动的质量，主要是起动电流是否不大、起动转矩是否很大和起动是否迅速、可靠。到目前为止，世界上采用的起动方法主要有下列五种1)转子上装阻尼笼的全电压异步起动;2)阻尼笼外加降压装置的降压异步起动;3)用另一台装于同轴上的起动用电动机起动;4)用另一台水轮发电机供电的同步起动，称为背靠背起动法;5)用静止变频装置的变频起动。但这五种方法都不能同时满足前面指出的两方面要求，不是起动质量很差，就是起动所需附加设备的成本很高。为了保证起动质量，当代认为最先进的起动方法是用静止变频装置的变频起动。其缺点是静止变频装置非常昂贵。它的成本往往是电机成本的几倍，并且变频装置包含大量电子元件，对周围环境和维护要求很高，稍有疏忽便发生故障，可靠性是一个严重问题。另一比较常用的方法是上述的第四种方法，即背靠背起动法;该方法的缺点首先在于必须经常有一台水轮发电机或备用的抽水蓄能机组作为拖动用发电机，用以向被拖动机组供电，因而大大增加了电站的投资;其次是，最初起动时，转速由零开始上升，拖动用发电机提供的电压很低，因此由其产生的起动转矩不大，难以把转动惯量很大的蓄能机组起动。关于蓄能机组作发电机运行时的电压波形和动态稳定性，以及电机励磁绕组的过电压问题也是国内外长期以来深入研究的课题。但由于未能消除问题产生的根源，没有取得突破性进展。本专利技术的目的是为全面解决上述问题，提出一种能自行起动的抽水蓄能电站用同步发电-电动机。这种新型蓄能机组，不需要增加任何附加的起动装置，电机内部不仅不需要增加任何专为起动而设置的零部件，而且连传统同步电动机借以起动的装于转子极靴上的阻尼笼也全部取消，就能加上全电压使机组迅速起动。这种起动方法，能设计成起动电流小而起动转矩大，因而起动品质因数很高，显著提高机组的起动特性。由此可见，采用这种起动新方法，将使蓄能电站节省一笔非常可观的购置起动装置的投资，显著提高机组的起动质量，极大地发挥蓄能机组起停迅速、控制灵活的优越性。本专利技术针对当代最有发展前途的二机式蓄能机组，以解决起动问题为突破口，再由此全面解决其他问题。为解决起动问题本专利技术提出下列基本结构和起动方法1.采用两种转速，作发电机-水轮机用时转速较低，而作电动机-水泵用时转速较高。相应地，电机定子绕组的极数，作发电机用时的比作电动机用时的多，设发电机和电动机的极数分别为F和D，则F＞D。2.电机各部件的机械结构和传统的单速凸极同步发电机一样，转子上有F个正规磁极，均匀分布，每个磁极结构相同。但和传统的凸极同步电机比较，取消了装于极靴上的阻尼笼。3.定子绕组采用特殊设计，需三个开关(即三个“三相接触器”)，其中两个接至电网，而第三个用来把绕组中的三条支路断开或闭合。特殊设计的定子绕组具有下列功能1)当第三个开关闭合，第二个开关从电网断开时，把第一个开关投入电网，定子绕组为F个极，产生F极的旋转磁场，电机作为同步发电机运行;2)当第三个开关闭合，第一个开关从电网断开时，把第二个开关投入电网，定子绕组为反转的D极，即产生D极的反转旋转磁场，电机作为同步电动机运行;3)当第一个开关断开，第二个开关已投入电网时，把第三个开关断开，则定子绕组同时产生D极和Q极两个同方向旋转的旋转磁场，其中Q＜D，即Q极的同步转速比D极的高。这时除D极基波外，增加了一个谐波起动所需的Q极起动谐波。为获得上述F、D、Q三种极数的旋转磁场，可按双绕组和单绕组两种不同方式来设计定子绕组。采用双绕组方式时，第一套绕组用作发电机运行，连接前述的第一个开关;第二套绕组用作电动机运行，该绕组出线六根，分别接至前述第二和第三个开关。采用单绕组方式时，定子上只有一套绕组，出线九根，分别连接前述三个开关。该绕组设计成当第三个开关闭合时，将第二和第三个开关分别投入电网时，定子分别产生F极(发电机用)和D极(发动机用)二个旋转磁场;若在电动机运行工况下，把第三个开关断开而切除部分定子绕组，则定子绕组同时产生D极和Q极，且Q＜D，二个旋转磁场，在此情况下进行电动机起动时，D极为基波，而Q极为起动谐波，因而实现基波和谐波联合的双波起动。4.套在转子每个凸极上的励磁绕组都按相同的“特殊设计”的方法进行联结。其特征如下每个磁极铁心套着二个励磁绕组，它们的匝数不同，并联地连接在一起，二绕组从一个并联连接点围绕磁极铁心而至另一个并联连接点的绕行方向相同。5.转子上F个凸极的励磁绕组之间通过五个滑环和两个开关而实现丢极式变极联结，这时有二种不同联结方式1)第一种联结方式，F个凸极都有直流励磁电流通过，这时转子产生对称分布的F个磁极，用于发电机工况;2)第二种联结方式，F个凸极中只有D个凸极有直流励磁电流通过，剩下来的(F-D)个凸极的励磁绕组中没有直流励磁电流通过;这时转子产生基本上对称分布的D个磁极，用于电动机工况。6.按上述五点制造出来的同步发电-电动机具有许多突出优点，下面只对其中最重要的一点-能自行起动-作详细论述，其他优点在后面说明。前述第三个开关在正常运行(无本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种作发电机运行时的极数Ｆ多于作电动机运行时的极数Ｄ，定子绕组九根出线，分别与三个开关（三个“三相接触器”）连接，转子装置Ｆ个结构完全相同的正规极形、均匀分布的凸极，Ｆ个凸极的励磁绕组之间通过五个滑环和两个开关而能实现两种不同联结方式，第一种为Ｆ个凸极都有直流励磁电流通过，因而产生Ｆ个对称分布的磁极，第二种为Ｆ个凸极中只有Ｄ个凸极有直流励磁电流通过，其他（Ｆ－Ｄ）个凸极没有直流励磁电流通过，这时产生基本上对称分布的Ｄ个磁极的变极双速凸极同步发电－电动机，其特征在于，定子绕组通过控制三个“三相接触器”的接通或断开而可获得三种旋转磁场，即单个Ｆ极旋转磁场、单个Ｄ极旋转磁场、同转向的Ｆ极和Ｑ极（Ｑ＜Ｆ）同时存在的双旋转磁场，转子每个凸极上都套着两个匝数不相等的并联连接的励磁绕组，所说两绕组从一个并联连接点围绕磁极铁心而至另一个并联连接点的绕行方向相同，这些特征使机组作电动机运行时能直接加上全电压起动，无需利用装于转子极靴上的阻尼笼或其他附加的变频装置以及其他各种方法起动，从而实现了同步电动机的自起动。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：许实章，
申请(专利权)人：华中理工大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]