火電廠發電機的構造

汽輪發電機是同步發電機，主要由轉子與定子組成。由於汽輪機的轉速很高，故汽輪發電機的轉子只有一對磁極，在額定轉速每分鐘3000轉時輸出50赫茲的三相交流電。下面通過一個汽輪發電機模型來介紹汽輪發電機的基本構造與組成。

轉子

由於大型汽輪發電機轉速高，轉子磁極表面線速度達150m/s以上，離心力很大，故轉子直徑不能過大，大型發電機轉子都為細長型。轉子圓周上沒有凸出的磁極（不像三相發電機模型中的轉子），轉子鐵芯是一個在軸向上開有一些槽的圓柱，在圓柱兩側各有一段槽距大的面稱為「大齒」，就是磁極（圖1所示），稱之為隱極式轉子。在槽中嵌有勵磁繞組，隱極式轉子將勵磁繞組分成多個線圈，便於安裝與加固。

勵磁繞組兩端通過集電環（滑環）接到勵磁電源，在轉子圓周兩側就形成北極與南極，旋轉時就產生旋轉磁場。

圖1--隱極式轉子示意圖

圖2是汽輪發電機定子鐵芯與轉子鐵芯截面圖，中部是轉子鐵芯，外部是定子鐵芯，轉子鐵芯採用隱極式結構。為了顯示清晰，本模型定子鐵芯與轉子鐵芯設為較少的槽數。

圖2--定子鐵芯與轉子鐵芯截面

圖3是放大的定子鐵芯與轉子鐵芯截面圖，兩鐵芯間有氣隙。定子鐵芯的內圓周有嵌放定子線圈的槽，在槽口有固定槽楔的鳩尾槽，槽楔用途是壓住定子線圈。轉子鐵芯的外圓周有嵌放轉子線圈的槽，在槽口兩側有鳩尾槽，用來固定槽楔，在槽底有用於通風的副槽。

圖3--定子鐵芯與轉子鐵芯截面局部圖

轉子大軸用高強度高磁導率的合金鋼材整體製作，在轉子本體和繞組上有一些軸向與徑向的孔隙，用來通風冷卻。由於各種電機冷卻方式不同，孔隙布置走向也不同，這裡就不作介紹了，見圖4。

圖4--汽輪發電機轉子

轉子勵磁繞組由多個線圈組成，嵌放在轉子鐵芯的槽中，多個線圈串聯起來組成轉子繞組，在轉子軸的勵磁端（簡稱勵端）安裝集電環，轉子繞組的兩個線端分別連接到兩個集電環。見圖5。

圖5--嵌裝好繞組的汽輪發電機轉子

嵌放好線圈後在槽口打入槽楔，壓住槽內線圈，線圈在槽外的端部用護環壓住，防止線圈被離心力甩出，見圖6。

為減小負序磁場的影響，在轉子表面還裝有阻尼裝置，這裡就不介紹了。

圖6--轉子線圈與護環

為降低發電機的溫度，在轉子兩端裝有軸流或離心風扇對機內氣體進行強制循環。見圖7，這是整個轉子，是發電機中的旋轉部件。

圖7--安裝好集電環與風扇的汽輪發電機轉子

定子

因為定子鐵芯內的磁通是在不停的變化，為防止渦流損耗，定子鐵芯採用多層矽鋼片疊成，矽鋼片塗絕緣漆相互絕緣。矽鋼片導磁良好。為通風冷卻，定子鐵芯分成多段，段間有縫隙實現徑向通風。在定子鐵芯的兩端用壓圈與穿心螺杆壓緊定子鐵芯，見圖8。

圖8--汽輪發電機定子鐵芯

在定子鐵芯槽內嵌放定子的三相繞組，繞組形式一般為雙層疊繞。每相繞組由多個線圈組成，按一定規律對稱排列，大型發電機的線圈只有幾匝，是用一根根銅條或銅管彎成，在端部進行連接形成線圈。本模型簡化處理，線圈是由表皮絕緣的導線繞成多匝的線圈。

在24槽電機模型有24個線圈，分為3組，組成三相繞組，6個引出線中3個是A、B、C相輸出端，3個為中性線端，一同連接到到電機下方的出線盒的瓷套管端子。

圖9為排列在一起的24槽繞組示意圖。

圖9--汽輪發電機定子繞組

這些線圈是嵌裝在汽輪發電機定子鐵芯的槽內，見圖10。

圖10--嵌裝繞組的定子鐵芯

嵌裝好線圈還要在槽口插入槽楔，把線圈壓緊固定。圖11是嵌裝好線圈的定子鐵芯剖視圖。

圖11--定子與繞組剖視圖

發電機的實際組裝過程是定子鐵芯先安裝進機座，然後才進行線圈的嵌裝工作。

定子與轉子裝入機座

機座（機殼）由鋼板卷制焊接而成，為確保剛度，在機殼內壁焊有多圈圓環筋與軸向筋。本模型圓環筋較寬，為便於冷卻氣體流動，開有多個通氣孔。在機座下方有發電機出線盒，發出的三相交流電從這裡引出，見圖12。安裝好的機殼加端蓋具有很好的氣密性，以防止冷卻介質洩露。

圖12--發電機機殼

把定子鐵芯安裝在發電機機座內，再進行定子線圈嵌裝，把各相線圈連接起來組成Y型三相繞組。在定子鐵芯的槽口插入定子槽楔，壓緊槽內線圈，見圖13。三相繞組的6個線端連接到出線盒的六個瓷套管端子，按三相四線輸出。

圖13--裝入機座的發電機定子鐵芯與繞組

把轉子插入定子鐵芯內是發電機安裝的重要工序，要保證不損傷定子與轉子的任何部分。圖14是插入轉子後的狀態。

圖14--發電機安裝轉子

本模型的兩個轉子軸承安裝在機殼兩側的端蓋上，稱為端蓋式軸承。每塊端蓋由上下兩半組成，在端蓋上安裝軸承部件，軸承部件由軸瓦與軸承油密封等組成，循環的密封油可以潤滑軸瓦、防止氫氣洩露、降低軸瓦溫度。

安裝好機殼兩側的下端蓋，在端蓋上安裝軸承部件，軸承把轉子支撐起來，轉子磁極與定子鐵芯間留有氣隙，轉子可自由旋轉，見圖15。

圖15--發電機安裝軸承

安裝電刷裝置

轉子的勵磁電源連接到電刷，電刷與集電環緊密接觸，勵磁電流先通過電刷，再通過集電環導通到轉子勵磁繞組。電刷由天然石墨製成，有很好的自潤滑特性，導電良好，電刷通過刷辮接到勵磁端子。電刷裝在刷盒內，可自由上下移動，壓簧把電刷壓向集電環。壓簧採用恆壓彈簧，在電刷整個行程中壓力基本不變，恆壓彈簧固定在彈簧夾上，彈簧夾上有楔形卡子，彈簧夾插在刷盒內，卡子進入卡孔就卡住了。圖16左圖是壓簧，右圖是較新的電刷在刷盒的狀態，中圖是磨損較多的電刷（待換電刷）在刷盒的狀態。

圖16--電刷盒結構

刷盒固定在刷握上，刷握固定在刷握架上，刷辮連接到勵磁電源接線端子上，見圖17左圖，在圖17右圖中顯示了電刷與集電環的相對位置（圖中隱去了轉子軸）。

圖17--電刷裝置與集電環

圖17僅為發電機電刷示意圖，實際大型發電機的勵磁電流很大，每個集電環由幾段組成，電刷組相應增多，電刷數量達數十個。集電環採用耐磨的優質合金鋼製成，為降低集電環溫度，集電環有通風孔，在兩集電環之間還裝有離心風扇。

電刷裝置安裝在發電機的勵端集電環的圓周方向。在轉子兩端還要安裝轉子上的風扇，為了使風扇的氣流按照指定路徑流動，必須安裝上導風罩，見圖18。

圖18--發電機安裝電刷與風扇

發電機整機

把機座兩端的上半端蓋安裝好，發電機就組裝好了，圖19是汽輪發電機的剖視圖。

圖19--汽輪發電機的剖視圖

圖20是汽輪發電機的勵端（集電環與電刷端）外觀圖。

圖20--汽輪發電機勵端外觀圖

圖21是汽輪發電機的汽端（接汽輪機端）外觀圖。

圖21--汽輪發電機汽端外觀圖

冷卻系統

大型發電機產生的熱量很大，必須有強有力的冷卻措施，不同型號發電機的定子、轉子、機座等主要結構基本一樣，但冷卻系統五花八門，也較複雜。

主要的冷卻介質是氫氣、水和空氣。氫氣比空氣的密度小很多、導熱係數大很多；水有很大的比熱容、導熱係數大、價格低廉。

冷卻方式主要有：

全氫冷發電機，電機定子繞組、轉子繞組、定子鐵芯均用氫氣冷卻。

水氫氫發電機，電機定子繞組採用水內冷、轉子繞組與定子鐵芯用氫氣冷卻。

水水空發電機，電機定子繞組與轉子繞組採用水內冷、定子鐵芯用空氣冷卻。

水水氫發電機，電機定子繞組與轉子繞組採用水內冷、定子鐵芯用氫氣冷卻。

全水冷發電機，電機定子繞組、轉子繞組、定子鐵芯均用水內冷。

空冷發電機，電機定子繞組、轉子繞組、定子鐵芯均用空氣冷卻。

氫氣或空氣如何在電機內循環則有多種途徑，根據循環路線在定子鐵芯與轉子鐵芯上製作冷卻介質的通道。繞組水冷採用空心銅管作導線，在管內通水冷卻。

圖22是全氫冷發電機的氫氣流動示意圖，機座完全密封，在機殼靠兩端設有氫氣冷卻器，氫氣冷卻器就是排管式熱交換器，管內是流動的水，水通過電機外設備冷卻。在機殼內部充滿氫氣，風扇向兩端抽出熱氫氣，熱氫氣經過氫氣冷卻器降溫，再次進入定子與轉子帶走熱量。圖中淺藍色箭頭線示意氫氣的流動路徑。（編註：編者接觸過的發電機組的冷卻風路方向與此圖相反。）

圖22--全氫冷發電機氫氣流動示意圖

一些大型發電機將氫氣冷卻器設在機殼外部的上面，見圖23。

圖23 --600MW水氫冷發電機

除了上述的基本部件外，在定子、轉子、繞組、軸承等部位分布著許多溫度傳感器；在一些部位還有壓力傳感器、振動傳感器、位移傳感器等，全面監視發電機的工作狀態。

在機外還配有發電機的勵磁系統、冷卻水的淨化裝置與循環裝置、氫氣的儲存與控制裝置、密封油的循環系統等。