CN86103925A - 电动发电机的液冷式静止励磁系统 - Google Patents

Abstract

一种大型电动发电机的励磁系统，包括一个具有液体冷却剂系统的励磁变压器。该变压器的冷却剂系统所提供的液体冷却剂，最好来自现有的消除离子的水源，从而能允许使用较小的变压器和/或当使用相同尺寸的变压器时可提高变压器的输出额定值，也即最终提高了发电机的额定输出功率。该变压器紧靠发电机而又独立安置。

Description

本发明涉及用于大型液冷式电动发电机或发电机的静止励磁系统，更具体地说，涉及采用液冷却部件，特别是采用液冷式励磁变压器的静止励磁系统。

用于大型电动发电机（诸如由电力事业所用的汽轮发电机组）的励磁系统，其额定功率已随着发电机组本身的额定功率一起增大。（此处所用的“大型电动发电机”的用语是指额定功率超过50MW的发电机），早期的励磁系统包括了旋转功率源，如一个由汽轮发电机轴驱动的独立的DC发电机，该电源通过滑环和电刷向旋转的磁场绕组提供励磁电流。另一种方法是采用一个由汽轮发电机驱动的AC励磁机，该励磁机对励磁电压进行整流和控制，使之适用于外部静态整流器组。还有一种方法是采用装在转子上的二极管整流器，其整个整流电流是旋转的，并通过对旋转部件的电磁通匝链数来实现控制的。作为具有旋转整流装置的励磁系统一例，可在1973年10月23日颁布授予特莱克斯勒（Drexler）等人的3，768，002号美国专利文献中找到，该专利已转让给本发明的受让人。

特别是在不要求高的响应比的地方，冷却要求不太严峻的励磁系统是合理的，例如，在1964年5月5日授予Nippes的美国专利3，132，296中所公开的系统可视为一种简单的励磁系统。然而，3，132，296号专利中的励磁系统的目标仅仅在于利用转子磁通基频的第三和更高次谐波。象在那里所公开的这类系统对于大型电动发电机是不实用的。对于产生大型电动发电机所需高能级的发电机功率输出来说，三次或其他更高谐波是不能向它的励磁系统提供足够功率的。

励磁系统的一种独立的类别称之谓“静态”的，是因为其励磁电源并不旋转，而是固定的，即静止的。例如，在均已转让给目前受让人的均于1972年11月14日授予Drexler等人和Kudlacik等人的美国专利3，702，965和3，702，964中所说的是静止型的复合励磁系统。3，702，964和3，702，965两篇专利文献描述了一种用于大型电动发电机的静态激磁系统，该系统内的励磁变压器可置于一个密封罩内，而该密封罩实际上既与发电机外壳分离，又靠近该机壳。由该励磁变压器的冷却系统的说明并相应地参考1954年11月23日授予Kilbourne的2，695，368号美国专利文献（该专利已转让给本受让人），很明显：3，702，964和3，702，965两篇专利文献的励磁变压器的线圈是由来自发电机的内部液态冷却剂冷却的，而励磁变压器的铁芯片和主件是通过冷却该发电机所采用的同一气体（一般用氢气）来冷却的。

采用绕组和铁芯冷却系统与发电机冷却系统相隔离的励磁变压器，在将一个辅助励磁源接到发电机时，就会方便地从发电机上拆卸下来进行例行修理和/或更换，因此减少了发电机的预定停机修理时间。此外，一个分享发电机气体冷却源的变压器一般来说或是位于发电机外壳的冷却圆室内，或是位于一个与发电机外壳分开的增压气密罩内。无论是在冷却圆室还是在增压罩内，两种情况都必须按照诸如锅炉规范、发电机外壳本身等类相同的技术规程来制造，以便经得住内部各种压力而不会引起外部损坏。最好就是提供一台液体冷却的励磁变压器，因为用某种液体来冷却整个变压器，包括绕组，铁芯和电气连接部分，变压器就可置于增压气体环境之外，并可避免为制造变压器密闭结构所需花费的大部分材料、工艺过程和时间，从而为这个最大耗电器作出全面地节省。此外，一般说来，用液体冷却剂代替气体冷却剂时，对于相同额定功率而言，可允许采用体积较小的变压器，或者，需要时，可在相同大小的外壳内加入更多的铁芯片，从而提高变压器的额定功率并归根到底提高发电机可用的输出功率。

通过将励磁变压器置于离发电机相当远处并采用独立的冷却源的途径，也许能在励磁变压器和发电机之间对冷却剂进行隔离。这种定位方式通常用于注油变压器一具有诸如不烂油等作为内部冷却的油。人们认为：通常这些注油变压器不可与发电机置于同一房间内，部分原因是考虑到对操作人员的潜在的有害环境影响。然而，为了将所需冷却剂连通机构的长度减至最小，更而将由发电机连接到励磁变压器初级绕组的导线的长度以及由励磁变压器次级绕组连到整流器，最终到发电机的磁场绕组的导线长度减至最小，则最好是将励磁变压器配置在最接近发电机的地方，而且至少要将它置于与发电机同一房间，或一个建筑物的同一分隔间内。

就1984年10月16日授予Cotzas并转让给本受让人的美国4，477，767号专利所描述的静态励磁系统而言，该励磁系统被说成最好配置在发电机外壳范围的一个冷却圆室内，直接地处于为冷却发电机主要部分的液流通路上，并为这同一种冷却液所冷却。虽然4，477，767号专利的励磁电路的电气结构允许采用比前述变压器较小的励磁变压器，但人们仍期望进一步减小励磁变压器的尺寸和将励磁变压器内的冷却液流和发电机的主要冷却液流分开。

为更进一步地减小励磁变压器的尺寸，最好用诸如水等液体来冷却变压器，因为液体比目前用于冷却的几种气体具有较高的热导率。当水直接用于冷却变压器铁芯时，通常要将水除去离子，以降低其导电率。最好采用一个现存的消除离子的水源，而不要为水的除电离提供独立的装置，因为当由非常有经验的、有预见的用户（象工业用公用动力事业），为根据本发明确定一种励磁系统和液冷变压器的安装可行性而作资金或成本/利润分析考虑时，可能会预料设置这种单独装置的最初投资费要超过采用本发明所获得的利益。

因此，本发明的一个目的是为大型电动发电机的静止励磁系统提供比先前所用的变压器较小的励磁变压器。

本发明的另一目的是为提供一种可置于非常接近电动发电机的励磁变压器。

本发明的另一目的是为提供这样一种静态励磁系统，其流过该系统各部件内的冷却剂是与大型电动发电机的冷却剂系统隔开的。

本发明的又一目的是为提供一种静态励磁系统，其液态冷却剂是用于冷却该励磁系统中变压器的铁芯和绕组的。

本发明的又一目的是为励磁变压器提供一种液态冷却剂而利用原有的消除离子的水源。

本发明的又一目的是为对具有同先前所用励磁变压器相同外形尺寸的励磁变压器，提高其输出额定功率值。

本发明的其它诸目的是为消除一个高压罐（当采用气体冷却变压器时，需要这种高压罐）的不理想性能，以及为改善为检查和维修变压器的接近方法。

根据本发明的一种用于电动发电机的静态励磁系统，其中，发电机具有一个可旋转的磁场绕组，以便产生旋转磁场，一个具有多相主电枢绕组的定子铁芯（所述绕组置于定子铁芯的槽内），和用于提供第一冷却剂的冷却装置，以便至少对主电枢绕组进行冷却，所述励磁系统包括一个具有一个铁芯和一组初级及相应的次级绕组的多相励磁变压器。初级绕组被恰当地电磁耦合到主电枢绕组，而次级绕组被恰当地连接到整流器，以便对发电机的磁场绕组供以电能，从而产生磁场。励磁变压器包括同变压器铁芯的热流进行热交换的热交换装置，在那里，该交换装置包括一种运行的液体冷却剂，诸如一部分第一冷却剂，用以冷却变压器的铁芯。

本发明的新颖特征在所附权利要求中作了详细地陈述。然而就本发明本身的构成和实施方法，连同其进一步的目的和优点可通过参考结合附图的详细说明而得到更好地了解。

图1是一个图解说明根据本发明的包括一个液体冷却励磁变压器的励磁系统的部分电气和部分机械的示意图。

图2是一个详细地说明用作图1励磁系统的一个冷却系统的示意图。

图3是一个详细地说明用于图1励磁系统的一个冷却系统的另一实施例的示意图。

图1用图说明了一个典型固定式励磁系统（详述于4，477，767号美国专利文献中，该文献作为一个整体地参考资料而引入本文）及根据本发明的有关液体冷却的一个实施例，并表明其与一个大型电动发电机或由电力事业为提供电力所采用的典型发电机的组合。当然，本发明可应用于任何作为大型电动发电机（例如，在上面提及的诸专利文献中所描述的系统等）的固定式励磁系统，该励磁系统采用一个要求冷却气氛而不是环境气氛的励磁变压器。此外，很显然，一般来说，本发明不涉及所用的特定的固定式励磁系统的电气连接和/或结构的细节，但对下列情况则除外：即正如前面已指出过，为了将变压器初级电气连接到发电机和将其次级电气连接到整流器的导线长度减至最小，在希望励磁变压器的位置非常接近发电机的情况。

发电机包括一个外壳，可耐高压的壳或室15，诸如氢气等冷却流体28可穿过壳15而循环冷却发电机。在高压壳15范围内，配有一个象在上面提到的3，702，965号美国专利中所说明的一个常规结构的定子11。一般定子11的结构包括许多重叠的扇形状金属冲孔片，以形成一个空筒形结构，其内缘拥有许多纵向狭槽一主绕组12即配置其内。发电机的输出电功率就是从主绕组12通过高压绝缘套管22提供的。在定子组件11的中空筒形部分的范围内，配有一个转子10，该转子通常连到一台蒸汽轮机或别的动力源。为将冷却流体28保持在发电机内，备有同转子10的轴相配合的密封装置27。

转子10包括一个刻有纵向槽的大的金属圆筒锻件。在这些槽内一般装有两个或多个磁场绕组13。就是这些磁场绕组13被本发明的励磁系统所激励。在转子10旋转期间，磁场绕组13产生一个横向切割定子11的主绕组12的径向磁场磁通，从而可在套管22处产生期望的电功率输出。

由于大量的电功率是由大型电动发电机组产生的，所以即使机器运行效率稍差一点也需花费很高代价，而且能在机内产生大量表现为热量的热能，为了达到其使用者所要求的长期可靠的运行，则必需除去这种热量。就是因为这一原因，主绕组12通常是用诸如水等液体冷却剂来冷却。由于主绕组是固定不动的，所以这是比较容易安排的。然而，还必需冷却转子10。这通常是靠冷却流体28的循环通过来实现的，流体28最好为氢气，因为氢气与其他可用气体相比，能吸收和传递更多的热能，而且由于氢气的低密度减小了发电机内的通风损耗。借助于安装在转子上的风扇（图中未示）和其它传统的流体循环装置，冷却剂流体28被循环通过置于圆室16和17内的致冷装置19，而圆室16和17通常位于发电机的顶部。就是这些致冷装置19将冷却流体28中的热量除去以后，冷却流体才返回主发电机外壳15的内部，具体地说，才循环回到转子10和定子11之间的间隙。

下面来看励磁系统本身及和发电机的其它部件的关系。绕组14包括线圈14a，14b和14c。线圈14a，14b和14c可包括一个或多个与主绕组12一起置于定子槽内的导电汇流条。线圈14a，14b和14c称为励磁系统的电势源线圈，更通俗称为电势汇流条（P-Bars）。P-Bar绕组14以上面提及的3，702，965号美国专利所描述的那种方式配置于定子槽内。通常，线圈14a，14b和14c围绕发电机定子11的内圆周线，以120°的间隔构成单层的铜汇流条。最好，这三根P-Bars的一根位于面向发电机定子的水平方向的最上面槽上，以便使定子组件下部留有的120°开口，在发电机组装期间，更适于插入锻制的转子。所有P-Bar线圈的一端被定为中性地线，以便构成星形电路结构。这一功能最好是通过将P-Bar线圈的这些连线从圆室16引出，穿过套管23至电路25来实现。电路25为电势绕组14执行传统的熔断和断路器功能，这两种功能既是独立地又是共同来完成的。在发电机的另一端，即集流端，P-Bar绕组14通过绝缘套管24直接连到励磁变压器18。

根据本发明，最好也将励磁变压器18置于最接近外壳15的外侧，以便最大限度地减小来自套管24的电线长度。连到励磁变压器18的三角形连接的次级绕组30（图2）的电输出引线31a，31b和31c被分别连到桥式整流器20的输入端。桥式整流器20向传统地含有碳的固定电刷提供直流电流输出，然后流到集流环21，（该集流环随转子10旋转），并被电气连接到磁场绕组13。这样，在电势汇流（P-Bar）绕组14中感应而成的交流形式的电能，作为一个输入供给励磁变压器18，在那里变换后，又经桥式整流器20整流，最后，作为转子10的旋转磁通量的一个源，以直流电流形式供给磁场绕组13。

此外，提供诸如来自冷却剂源50的经消除离子的水，作为一种冷却剂要同至少形成线圈14a，14b和14c的一部分导体长度进行热流交换。通常，构成线圈14a，14b和14c的导体包括人为地围成一个通道的铜管，冷却剂可通过该管道循环。冷却剂可从冷却剂源50经由输送装置52供至输入集流管51，从集流管51起，冷却剂被分开而导入线圈14a，14b和14c的各自的导线管。来自线圈14a，14b和14c导线管的冷却剂在输出集流管53处排出，经输送装置54回到冷却剂源50。最好在集流管53和套管24之间，例如，借助配置或制造一个导线管的实心铜截面，而将冷却剂流体阻截在线圈14a，14b和14c的导管内，以使来自线圈14a，14b和14c导管的冷却剂与来自励磁变压器18初级绕组导线管的冷却剂相隔离。类似对于线圈14a，14b和14c导管的供应，冷却剂源50还可提供用于冷却主绕组12的导线管的冷却剂（图中未示）。诸如水库等的液体冷却剂源40（最好为消除离子的水），其一个输出通过输送装置41连接到桥式整流器20的一个输入端。液体冷却剂源40和冷却剂源50可构成一个单元。

桥式整流器20的冷却剂输出通过输送装置43连到励磁变压器18的冷却剂输入口。励磁变压器18的冷却剂输出是通过输送装置45而连到冷却剂源40的一个冷却剂返回输入口的，由此，从液体冷却剂源40通过桥式整流器20和励磁变压器18完成一个串接的液体冷却剂循环。液体冷却剂通过输送装置45返回到液体冷却剂源40时，可被适当地冷却，然后再循环到桥式整流器20。

参照图2，该图是根据本发明的励磁变压器18和相关的液体冷却剂源40的一个示意图。输送装置41被连到桥式整流器20的热交换器42的冷却剂输入口，而热交换器42的冷却剂输出经输送装置43送到励磁变压器18的一个输入集流管56。从输出集流管58输出的冷却剂通过输送装置45被送到液体冷却剂源40的冷却剂返回入口。在输入集流管56和输出集流管58之间装有平行的冷却管路，以便提供用于冷却变压器18部件（如初级绕组29，次级绕组30和铁芯35等）的冷却剂。这样，从冷却剂源40开始的一个串接的冷却剂流动通路就包括：输送装置41，热交换器42，输送装置43，输入集流管56，输出集流管58和输送装置45。包括变压器18的输入集流管56、输出集流管58和相连平行冷却剂管路的热交换装置最好如图所示同热交换器42成串联连接，而不会明显地有损于冷却效率，这是因为可以预料：通过热交换器42带走的热量，即由桥式整流器20产生的热量是比较少的。另一方面，热交换器42和输入集流管56还可相当独立地连到液体冷却剂源40。

液体冷却剂从输入集流管56，通过构成初级绕组29和次级绕组30的中空导线管的平行冷却流体通道分别地流向输出集流管58，同时穿过铁芯35内的流体通道，以使液体冷却剂是以热流方式分别地同初级和次级绕组（29和30）以及铁芯35进行交换。由于桥式整流器20通常位于紧靠发电机的压力壳15处（图1），励磁变压器18也可位于紧挨发电机压力壳15（图1），但在其外侧，以便当根据本发明形成冷却剂液流时，可有效地利用来自冷却剂源40的液体冷却剂。虽然图中所示：流过励磁变压器18的冷却剂液流是同热交换器42串接的，但也可能是：励磁变压器18直接由液体冷却剂源40提供冷却剂，例如将集流管56连到液体冷却剂源40的第二输出端，或者连到配备在输送装置41的一个流量分配装置，同时可提供一条冷却剂返回通路：从集流管58的输出到液体冷却剂源40的一个第二冷却剂返回输入端，或者到配置于输送装置45中的一个流量复合装置。然而，由于需要由流过热交换器42的冷却剂带走和由该冷却剂吸收的热量可以预料是比较小的，所以让冷却剂串联地流过热交换器42和励磁变压器18（如图2所示）是不会损害励磁变压器18的工作的。

参见图3，该图是表示用于图1所示励磁系统的一个冷却系统的又一实施例的示意图。励磁变压器18的电输出引线31a，31b和31c是中空的，所以液体冷却剂可在那里流过。热交换器42的冷却剂输出端被连接到励磁变压器18的输出导线31c，因而不再需要输送管43。输出导线31c可将液体连通到输入集流管60，以便向励磁变压器18的铁芯35，初级绕组29和次级绕组30提供液体冷却剂。从绕组29和30及铁芯35输出的冷却剂被连通到输出集流管65，再通过导线管31a和31b被连到返回输送管45。在这种结构中，输出导线管31c的内部通道可能比输出导线管31a和31b的内部通道都要大。也可采用两根输出导管，（如31b和31c）来向励磁变压器18提供来自热交换器42的冷却剂，并可用一根输出导线管（如31a）提供从励磁变压器18到液体冷却源40的一部分冷却剂流量通道。

根据本发明采用液体冷却剂去冷却励磁系统的各部件，同先前采用气体冷却的系统相比，使其能够采用较小的变压器18和/或在其相同大小（或外形尺寸）条件下，能够增大变压器18的容量，从而增大供给磁场绕组13（图1）的功率，归根结底可增大发电机的可能的最大功率输出。如果根据本发明而采用液体冷却剂时，通过有利地占用变压器18内先前气体冷却通道所需的空间（这些通道是引导和保持气体冷却剂同铁芯接触的），则可进一步减小变压器18的大小和/或增大其容量。

这样，我们已对用于大型电动发电机的一种静止型励磁系统作了图解和描述一该励磁系统各部件内的冷却剂是与发电机冷却剂系统分开的。我们还图示说明了这样一种静止型励磁系统，即其液体冷却剂（例如来自一个现有的消除离子的水源）是用来冷却励磁系统的变压器的铁芯和绕组，从而使得与先前所用的励磁变压器相比，能采用较小的励磁变压器和/或在具有同先前所用励磁变压器相同外形尺寸情况下，能提高励磁变压器的额定输出功率，同时使变压器能置于电动发电机外面并非常接近发电机的地方，并消除了当用气冷变压器所需压力罐的不良性能。

尽管借助图解作了说明的仅是本发明的某些最佳特性，对于本领域的专业人员还会作出许多改进和修改。显然，所附权利要求书打算包罗属于本发明的真正精神和范围内的所有这类改进和变动。

Claims (19)

1、一种用于电动发电机的静止励磁系统，该发电机具有一个可旋转的磁场绕组，用来产生旋转磁场；一个定子铁芯-其槽内配置有多相主电枢绕组和第一冷却装置-用以至少为主电枢绕组提供第一冷却剂，所述励磁系统的特征在于包括：

-一个多相励磁变压器，它具有一个铁芯和一组对应的初级绕组，该绕组与预定的一组主电枢绕组的多个主电枢线圈对应地呈电磁耦合以及一组次级绕组，该次级绕组分别与初线绕组的线圈相对应并与之进行磁通量的交换流通；和

一整流装置，该装置与次级绕组电气连接，为产生磁场而对磁场绕组提供电能；

一其中所述励磁变压器包括第一热交换装置，以热流方式同初级和次级绕组以及励磁变压器的铁芯进行热交换，所述第一热交换装置在运行时包括用于冷却变压器铁芯的液体冷却剂。

2、如权利要求1的静止励磁系统，其中所述液体冷却剂是同第一冷却剂相隔离的。

3、如权利要求1的静止励磁系统，其中所述液体冷却剂包括一部分第一冷却剂。

4、如权利要求1的静止励磁系统，其中所述液体冷却剂包括消除离子的水。

5、如权利要求1的静止励磁系统，其中磁场绕组和定子铁芯被置于一个机壳内，励磁变压器被置于该机架外并与其紧贴。

6、如权利要求1的静止励磁系统，其中所述整流装置包括用于冷却该装置的第二热交换器，第二热交换器与第一热交换器保持液体冷却剂的串联流通。

7、如权利要求6的静止励磁系统，还包括用于提供液体冷却剂的冷却剂源装置，第一和第二热交换装置，它与冷却剂源装置如此连接，以使液体冷却剂从所述冷却剂源装置流到所述第二热交换装置，然后再流到所述第一热交换装置。

8、如权利要求6的静止励磁系统，其中所述整流装置通过至少一条空心导线与次级绕组的至少一部分成电气连接，以使液体冷却剂通过所述的至少一条空心导线流到所述第一热交换器。

9、如权利要求7的静止励磁系统，其中所述整流装置至少通过一条空心导线与至少一部分次级绕组成电气连接，以使液体冷却剂从所述第二热交换器通过所述的至少一个空心导线流到所述第一热交换器。

10、如权利要求8的静止励磁系统，其中所述整流装置还至少通过另一空心导线，至少部分地与次级绕组成电气连接，以使液体冷却剂至少能部分地通过至少另一空心导线从所述第一热交换器流到液体冷却剂源装置。

11、如权利要求9的静止励磁系统，其中整流装置还至少部分地通过至少另一空心导线而电气连接到次级绕组，以使液体冷却剂至少能部分地通过至少另一空心导线而从所述第一热交换器流到液体冷却剂源装置。

12、用于电动发电机的静止励磁系统，发电机包括一个机壳;一个可旋转的磁场绕组，用于产生旋转磁场;一个定子铁芯并带有配置在其槽中的多相主电枢绕组;以及一个同磁场绕组和定子铁芯保持热流交换的冷却装置;用于冷却磁场绕组和定子铁芯，其中的磁场绕组、定子铁芯和冷却装置均配置于所述机壳内，该励磁系统的特征在于包括：

-一个具有一个铁芯的多相变压器，一组初级绕组分别电磁耦合到主电枢绕组的各个主电枢线圈和一组次级绕组，该次级绕组分别对应于初级绕组的各个线圈并与其保持磁通道的交换流通，该变压器包括第一热交换装置，该装置同初级和次级绕组及铁芯保持热流交换，并将液体冷却剂同接纳第一液体冷却剂的液体冷却剂源装置进行交换流通;以及

-整流装置，被电气地连到次级绕组，用来为磁场绕组提供电能以产生磁场。

13、如权利要求12的静止励磁系统，其中变压器被配置于机壳的外侧而又紧贴于机壳。

14、如权利要求12的静止励磁系统，其中整流装置包括用于冷却该装置的第二热交换器，并且第一和第二热交换器以这样串接方式进行液体冷却剂的流通交换，以使液体冷却剂从液体冷却剂源流到所述第二热交换器，然后再流到所述第一热交换器。

15、如权利要求12的静止励磁系统，其中整流装置至少通过一条空心导线，至少部分地电气连接到次级绕组，以使液体冷却剂通过所述的至少一条空心导线从所述第二热交换器流到所述第一热交换器。

16、如权利要求15的静止励磁系统，其中整流装置还通过至少另一空心导线，至少部分地电气连接到次级绕组，以使液体冷却剂至少部分地通过至少另一空心导线而从所述第一热交换器流到液体冷却剂源装置。

17、如权利要求12的静止励磁系统，其中冷却装置至少为冷却定子铁芯而提供第二液体冷却剂，而且其中液体冷却剂源装置构成冷却装置的一部分，再者其中第一液体冷却剂和第二液体冷却剂是彼此隔离的。

18、如权利要求14的静止励磁系统，其中整流装置至少通过一条空心导线，至少部分地与次级绕组电气连接，以使液体冷却剂通过所述的至少一条空心导线从所述第二热交换器流到所述第一热交换器。

19、如权利要求18的静止励磁系统，其中整流装置还通过至少另一空心导线，部分地电气连接到次级绕组，以使液体冷却剂至少部分地通过至少另一空心导线而从所述第一热交换器流到液体冷却剂源装置。

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