[发明专利]能自行起动的双速同步发电-电动机

说明书

本发明属于同步发电-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。

本发明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。

本发明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。为解决起动问题本发明提出下列基本结构和起动方法：