抽水蓄能發電電動機，又稱電動發電機，是指在發電時作為發電機運行，在抽水時作電動機運行的一種電動機。
基本介紹
- 中文名：抽水蓄能發電電動機
- 外文名：motor-generator或generator-motor
- 類別：旋轉式機器
- 工作原理：電能轉變為機械能
- 結構：電磁鐵繞組
- 別稱：抽水蓄能電動發電機
特點,主要參數,結構,起動方式,制動方式,
特點
在抽水蓄能電站中套用最多的是與可逆式水泵水輪機配套的可逆式電動發電機，這種電動發電機和常規水輪發電機相比，有以下不同的特點:
1、雙向旋轉
由於可逆式水泵水輪機作水輪機和水泵運行時的旋轉方向是相反的，因此電動發電機也需相應地雙向運轉。為實現同步電機雙向運轉，在電氣上要求電源相序能夠轉換，這在電氣主接線和開關設備的選擇上可以實現;電機本身如作雙向旋轉則要求通風冷卻和軸承都能適應雙向工作。至於組合式水泵水輪機，因其作水輪機和水泵運行時旋轉方向不變，故與之配合的電動發電機與常規發電機相差不多。
2、頻繁起停
抽水蓄能電站在電力系統中起填谷調峰的作用，一般每天至少要起停2次，有的蓄能電站則要求起停更為頻繁，同時還籍經常作調頻、調相運行，工況的調整也很頻繁。蓄能機組要求能迅速增減負荷，大型機組要求有每秒鐘變動10MW負荷的能力。從空載到滿負荷以及從抽水直接轉換到發電運行，也都要求在很短時間內完成。電動發電機處於這樣頻繁變化的運行條件下，其內部溫度變化自然十分劇烈，電機繞組將產生更大的溫度應力和變形，也可能由於溫度差在電機內部結膝而影響絕緣。英國狄諾威克抽水蓄能電站是近年建設的蓄能電站中起停操作要求很高的一個實例，設計每天要起停40次。
3、需有專門起動措施
由於轉向相反。電動發電機作電動機運行時不能像作發電機那樣利用水泵水輪機起動，必須採用專門的起動方法。為此在採用異步起動方法時需在轉子上裝設起動用阻尼繞組或使用實芯磁極，當採用其他起動方法時均需增加專門的電氣設備和相應的電站接線。這些措施都增加設備造價，並使操作複雜。/4、過渡過程複雜
抽水蓄能機組在工況轉換過程中要經歷各種複雜的水力、機械和電氣瞬態過程。在這些瞬態過程中將發生比常規水輪發電機組大得多的受力和振動，對於整個電機設計都提出更嚴格的要求。
主要參數
發電電動機的設計應滿足以下三方面的參數:
(1)水力機械條件:有功功率;轉速(單轉速、雙轉速);飛逸轉速;旋轉方向(單向、雙向):轉動慣量要求;安裝條件。
(2)電力系統條件:視在功率;功率因數;穩定性要求;瞬態電抗X'd;次瞬態電抗X’’d;運行方式〔工況轉換次數及間隔);調相運行要求;負荷頻率控制(LFC);啟動功率;允許的電壓降;可用率要求。
(3)電機設計要求:電壓等級;允許溫升;絕緣等級要求;尺寸(空間)的限制;設計標準。
結構
發電電動機的結構方式和常規水輪發電機是相近的。早期使用的臥式組合式蓄能機組配有橫軸的電動發電機，有名的一個實例是1964年在盧森堡投產的維也丹(Viander)臥式蓄能機組，其最大功率為115MVA。但近年的抽水蓄能機組更多地使用立式結構。
立式電機按推力軸承的位置可分為懸式和傘式兩大類。推力軸承裝在轉子上方的稱為懸式;裝在轉子下方的稱為傘式;如轉子上方還有一個導軸承的稱為半傘式，如無此軸承的稱為全傘式。抽水蓄能機組對於額定轉速高於400-500r/min的多用懸式結構，而低於此轉速的多數用半傘式或全傘式結構。
傘式機組的推力軸承可連同下導軸承裝在電機的下機架上;另外為減小機組高度，也有的推力軸承裝在水泵水輪機頂蓋上。從結構的高度來看，懸式機組最大，半傘式其次，全傘式最小。懸式電機的總高度雖然最大，但其穩定性較好，推力軸承處於電機的頂部，此處軸已不傳遞任何扭矩，故軸徑可比主軸徑小些，這樣可以減少軸承能量損耗。右圖1表示典型懸式電動發電機的主要部件，右圖2為不同結構的電動發電機高度的相對比較。
1、轉子
電動發電機的轉子和常規發電機是相像的，由轉子支架、磁扼和磁極三部分組成。轉子
支架的作用是為固定磁扼並在磁極與主軸之間傳遞扭矩;磁扼是電機磁路的組成部分;磁極上裝有磁極繞組和阻尼繞組。
轉子支架包括輪毅和輪輻。常規的輪毅是整體鑄造的，運到現場與主軸熱套成一體。輪輻有臂式和圓盤式兩種結構形式。圓盤式支架一般運至現場後拼焊成整體，可逆式機組的旋轉方向是雙向的，不能裝設常規的風扇葉片，故圓盤式輪輻要設計成合適的形狀，可以在雙向起扇風作用，臂式輪輻通常為裝配式的。
2、轉動部分
抽水蓄能機組的電機轉子為適應高轉速的要求(額定轉速為500r/min的機組在飛逸時轉速可能達到725 r/min),應該結構緊湊，在滿足轉動慣量的條件下具有最小的尺寸。在高速電機上開始使用實心輪幅，已不再豁要輪毅，而是由幾段有較大厚度的環形輪幅通過長照栓連成整體，再與上下兩根主軸聯接。這樣大大增強了轉子體的整體性，更能防止轉速快速變化時可能產生的變形。水電機組均使用剛性軸系，整個轉動部分的固有頻率應在第一臨界轉速之下一定的安全範圍內。在滿足水泵水輪機和電動發電機的結構要求下，軸承間的距離應縮至最小。在電機轉子的上方裝設一個導軸承對減輕機組振動是很有效的。
3、定子
定子機架是由鋼板和型材焊接的結構，定子機架主要用於固定定子鐵心，並將上機架所傳來的下推力傳到機墩上。定子機架必須要有相當的剛性，能夠承受電磁力和熱作用力，防止定子鐵心出現過量的變形。在定子機架的下面經常放一塊很厚實的底環，這樣可以有效地減輕電氣娜路時對於基礎混凝土的剪下應力。
和常規水輪發電機一樣，中大型電動發電機的定子都是分瓣運輸到現場再組裝成整體。一般情況下，定子鐵心在工廠疊積井下好大部分線棒，只留下接合部分的線棒在工地上裝配並焊接。電動發電機的運行條件惡劣，溫度變化劇烈而頻繁，為加強定子的整體性，增大定子剛度，近來常採取在現場疊積鐵心和下線的工藝，實行無合縫裝配。
4、推力軸承
同步電機(發電機或電動機)本身是可以向兩個方向旋轉的，同步電機本身完全適合抽水蓄能機組的需要，只有在推力軸承和風扇的設計上需作些特殊考慮。
推力軸承是支持立式電機和水泵水輪機轉動部分和水推力的關鍵部件，由鏡面推力頭和推力軸瓦組成。常規水輪機的推力軸瓦是偏心支撐的，機組旋轉以後軸瓦傾斜，在鏡面板和軸瓦之間形成油楔而產生潤滑作用。但可逆電機需要雙向旋轉，推力瓦只能做成對稱支撐，故一般油膜較薄，潤滑性能差，摩擦損耗大且散熱困難，所以設計上要用比常規自調整式軸瓦數目多一倍的軸瓦。
可逆式電動發電機因為運行條件變化特別頻繁，推力軸承(包括導軸承)的設計也要求比常規發電機更為嚴格。
5、通風冷卻系統
（1）滋軛徑向通風和強制通風冷卻
電動發電機或利用轉子本身的扇風作用，或靠做成適當形狀的轉子支臂和磁軛來起扇風作用，將冷空氣從轉子兩端吸入，沿轉子磁軛的通風槽在離心力的作用下通過磁極的空間來冷卻勵磁繞組和定子線圈及鐵心，熱空氣經定子外部冷卻器冷卻後循環流通。
當高速機組轉子的高度達到一定程度後，徑向通風已不能保證沿鐵心高度方向均勻冷卻，有的電機在轉子磁軛高度的中部留出1或2個間隔(相當於1個特別寬的通風槽)，其中安放通風葉片，用以加強中段的散熱。
（2）直接水冷卻
對於大容量電機，為進一步加強水冷卻的效果，可以將電機繞組做成空心的，使冷卻水從中通過將熱量帶走。如果定子繞組使用水冷而轉子繞組仍為風冷稱為半水內冷;如果定子和轉子繞組都為水冷則稱為全水內冷，或雙水內冷。
在汽輪發電機上使用過雙水內冷結構，但水內冷的工藝要求很高，水輪發電機的線棒數目比汽輪發電機更多，因此有大量複雜的接頭，運行時發生漏水的可能性增加。為保證運行的可靠性，在水電機組上多數場合只使用半水內冷，即只用水冷卻定子繞組，轉子繞組仍用空氣冷卻。用水冷卻方式還牽涉到複雜的水處理過程，這種設備在電站廠房內要占不小空間。
（3）蒸發冷卻系統
蒸發冷卻是採用氟里昂或其他沸點低的特種液體作為內冷介質，利用其蒸發熱帶走電機繞組熱量，保持繞組溫度在低溫沸點附近，蒸發後的氣體再經水冷卻後回復為液態返回循環。由於這種介質是絕緣的，少量滲漏不會影響電機的安全運行，故能提高電機的運行率(可用率)。
起動方式
為使電動發電機作電動機運行時起動電流不致過大，並對電網不產生過大擾動，必須採用專門的電氣設備及操作方法。常用的電氣起動方法大致有5種:同軸電動機起動;異步起動;同步(背靠背)起動;半同步起動;變頻起動等。各種起動方法的典型轉矩一轉速特性。除全電壓異步起動方法外，其他起動方法均需水泵水輪機同時充氣壓水，以減少起動轉矩。
制動方式
抽水蓄能機組是電力系統中最具靈活性的調節設備，要求能最快地從一種工況轉入另一種工況。蓄能機組在從發電盡抽水工況停機時，由於轉動部分的慣性很大，要很長時間才能停下來，這就延遲了轉入另一工況或進入備用狀態的時間。
電氣制動可以有效地縮短機組減速的時間，使用電氣制動由額定轉速降到零轉速的時間比自由減速最後加機械制動所需時間的一半還少。
電氣制動又稱為動力制動。常用的操作方式是在機組轉速降到50%時加電氣制動，到5%轉速時投入機械制動。與此相比，如不用電氣制動，待轉速降到30%時加機械制動，則總時間要長很多。我國近年投產的大型抽水蓄能機組都配備有電氣制動功能。
電氣制動的方法是在同步電機從電網解列後，把定子繞組直接短路或通過外加電阻短路，此時仍具有勵磁的轉子就在定子繞組內感應出電流(約為額定電流的1.1倍)而形成負荷，使轉子減速。使用電氣制動時應防止定子電流超過安全值，因為在降低轉速以後電機的散熱能力大為削弱，故應保證電機的溫升不要過高。如果電機的勵磁電流是由勵磁機供給的，則需為電氣制動設定專用的勵磁裝置。
