电机设计课程简介教学绪论PPT.ppt
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1、School of Electrical Engineering,1,2023年3月2日星期四,1 课程内容 电机设计是一门专业课,是电机学的后续课程。介绍电机设计理论、磁路计算方法、参数计算方法、性能计算方法、电磁设计方法、温升计算、结构型式的选择、电磁振动与噪声、计算机辅助设计方法等。重点:电机设计理论、电磁参数计算方法、电磁性能计算方法、电磁设计方法,电机设计课程简介,School of Electrical Engineering,2,2023年3月2日星期四,2 课程特点 电机设计理论与工程技术并重,理论联系实际3 课程学习要求 掌握电机设计的实施过程 掌握电机的基本设计理论 掌握电
2、机性能分析的基本方法 掌握三相感应电动机设计计算方法 初步掌握电机CAD软件编制方法,School of Electrical Engineering,3,2023年3月2日星期四,4 课程安排 32学时:授课 8学时:安排三相感应电动机设计大作业,School of Electrical Engineering,4,2023年3月2日星期四,第一节 电机制造工业近况与发展趋势 一、国内发电机制造工业的发展概况1875年,法国巴黎北火车站建成的世界首座发电厂,1879年美国首座发电厂,1883年俄罗斯首座发电厂。我国第一次用电:1879年5月17-18日,上海英租界迎接美国总统格兰特,在外滩发
3、电亮灯。,第一章 电机设计概述,School of Electrical Engineering,5,2023年3月2日星期四,第一座自己创办的电厂:西苑电灯公所,1889.1发电,20马力,1882年,英国人立德尔成立上海电气公司,今南京东路190号创办了中国第一座发电厂。7月26日19时,电厂开始供电,夜幕下,弧光灯一齐发光。,1米制马力=735.49875瓦,School of Electrical Engineering,6,2023年3月2日星期四,中国第一座水电站:1905年,台湾龟山水电站(500kW)中国自建的第一座水电站:石龙坝发电厂 位于滇池出水道,距离昆明70公里。190
4、8年开始筹建,1910年开工,1912年4月发电,送电到昆明市区,23kV。1、2号机组共480千瓦,西门子公司制造的机组,奥地利伏依特公司生产的水轮机 仍在运行,7040kW。,School of Electrical Engineering,7,2023年3月2日星期四,我国生产的第一套发电设备:1936年,发展重工业的第一个三年计划,航空发动机、动力机械和工具机具的制造厂,成立中央电工器材厂(现在的湘潭电机厂)和中央机器厂(现在的昆明机床厂),School of Electrical Engineering,8,2023年3月2日星期四,中央机器厂(1938年成立)从瑞士BBC公司,引进
5、2MW汽轮发电机技术,转子进口,改造定子,提高了端电压。汽轮机进口,锅炉仿造瑞士产品设计并自行制造。1943年在泸县电厂和昆明电厂使用,此后中断了火电设备生产。中央电工器材厂(1936年成立)1942年,研制1000马力水轮机,改造了一台1940kVA、6.9kV发电机,安装在四川下清渊发电厂,School of Electrical Engineering,9,2023年3月2日星期四,与西屋公司合作 1945年,国民政府与西屋公司签订合同,引进汽轮发电机、水轮发电机电动机变压器开关设备仪器仪表电力电容器电工绝缘材料等电工产品技术以及设计能生产以上产品的工厂和5年内培训 300名技术人员的技
6、术合作。由于战乱,未能实现,培训96人,培养了中国第一代电机人才,为新中国作了人员和技术储备。,19501958年,仿造阶段 此阶段主要引进6100MW火电设备制造技术 初期,华东工业部和东北工业部分别成立火电设备生产基地,进行练兵;,School of Electrical Engineering,10,2023年3月2日星期四,上机基地:1952年引进捷克的中压6-12MW技术进行仿制。1954年,根据捷克图纸制成6MW空气冷却汽轮发电机,于1956年在安徽淮南电厂投运。1956年,仿捷TQC型12MW空冷式汽轮发电机 1958年,仿捷TQC型25MW空冷式汽轮发电机,哈尔滨基地:1952
7、年,引进苏联的中压(625MW)和高压(2550MW)技术,以高压为主,School of Electrical Engineering,11,2023年3月2日星期四,1958年,根据苏联图纸资料于制成第一台仿25MW 空冷式汽轮发电机按苏联图纸制造30MW自行设计一台50MW,设计不成熟,只生产2台苏联图纸50WM 1960年,按苏联图纸制造100MW,因定点电厂下马,闲置4年,1967年安装在高井电厂。上述工作为自行开发奠定了基础。,19581978年:自行开发0.75-600MW汽轮发电机,(1)双水内冷汽轮发电机 1958年6月26日,郑光华、王槱(you)生等人首先提出了转子绕组铜
8、线内通水冷却方案,并试验成功。,School of Electrical Engineering,12,2023年3月2日星期四,School of Electrical Engineering,13,2023年3月2日星期四,27日到上海电机厂28日交流 7月7日成立课题组开始设计 9月试制成功世界首台12MW隐极式双水内冷汽轮发电机 1958年12月并网运行 1959年,25MW和50MW双水内冷汽轮发电机 1960年,100MW双水内冷汽轮发电机。6月28日,浙江省委第一书记接见浙大课题组老师,指示萧山电机厂进行设计和制造同年,3MW、1500r/min凸极式双水内冷汽轮发电机,并网运行
9、。双水内冷为自主创新成果。电磁弹射,School of Electrical Engineering,14,2023年3月2日星期四,问题:“大跃进”期间,双水内冷汽轮发电机还不成熟,漏水事故多,一次投产20台6MW发电机,造成了很大损失。哈尔滨电机厂也进行了类似工作,由于问题较多,终止 整改:1961年,中央指示“一年过关,三年完善,暂停生产”。1966年,解决了关键问题。制成许多规格的发电机,安全运行。开发新产品:哈尔滨电机厂:1971年200MW,72年并网运行。援助朝鲜60MW共8台,成功。1972年,上机厂完成了600MW双水内冷汽轮发电机施工设计并开始作生产准备工作。这项研制工作一
10、直持续到1978年,由于有关领导部门确定引进国外技术而终止。,School of Electrical Engineering,15,2023年3月2日星期四,(2)氢冷发电机哈机厂:从1958年开始,先后试制了50MW氢内冷汽轮发电机、仿制了50MW氢外冷和100MW氢内冷汽轮发电机。对氢冷技术积累了一定的经验。1966年开始600MW氢水冷汽轮发电机的设计,1972年10月完成施工设计,并进入生产准备阶段,和上机厂一样,由于相同的原因而中止。,1972年,哈机厂试制成200MW氢水冷汽轮发电机:定子绕组水内冷、转子绕组氢内冷、铁芯氢冷,75年顺利并网发电。以后,哈机厂生产的200MW及以上
11、大电机组一般均采用水氢氢冷却。,School of Electrical Engineering,16,2023年3月2日星期四,(3)空冷发电机 50年代仿造的空冷汽轮发电机在运行中暴露出不少缺点。19611963年期间,全国电机行业进行联合设计,对仿苏和仿捷系列进行了完善。联合设计QF新系列:325MW首台机组先后在1962一1965年期间试制完成。该新系列后来在行业中推广和批量生产。,19771985年:整改与引进 整顿火电机组的质量,引进300MW、600MW火电技术,(1)整顿100300MW火电机组的质量 许多大机组投运后,暴露了大量的质量问题,严重地损害了国产大机组的形象。,Sc
12、hool of Electrical Engineering,17,2023年3月2日星期四,原因:一是先天不足,缺乏必要的试验依据;二是后天失调,粗制滥造。,电力部门为了解决电力建设迫切的需要,从1973年开始陆续进口了一些火电大机组,使中国火电设备制造行业面临严峻的挑战。,联合攻关,列了354项需要解决的问题。国产100300MW火电机纪经过完善化和改进设计,技术水平有了很大提高。因此,机械、电力部门商定对国产型和引进型300MW火电机组采取“同时并存”方针。,整顿的基础上进行了改进设计,可靠性大大提高。但仍存在一些问题,发电机绝缘等。,School of Electrical Engin
13、eering,18,2023年3月2日星期四,(2)引进300MW和600 MW火电设备制造技术,1978年2月,一机、水电两部共同向国务院提出,为了提高中国大型火电机组经济指标和制造水平,建议进口电机的同时引进制造技术。,1980年9月和11月,一机部分别与美国西屋公司和美国燃烧工程公司签订了汽轮机、汽轮发电机和锅炉的技术转让和购买部分零部件合同。,上海基地承制的300MW考核机组于1985年制成,装在山东石横电厂,1987年7月投运,1988年5月通过考核试验,School of Electrical Engineering,19,2023年3月2日星期四,这两种引进型机组具有当代国际水平
14、,通过消化和吸收,大大提高了火电设备的技术水平。,(3)国产100-300MW火电设备的改进设计 在对引进的300-600MW 进行消化吸收的基础上,对国产100-300MW进行改进设计。1985年投入运行的22台100-300MW机组,平均年利用5688小时,可靠性大大提高。,哈尔滨基地承制的600MW考核机组于1986年制成,装在安徽平纤电厂。于1989年11月投运。,School of Electrical Engineering,20,2023年3月2日星期四,目前的水平 2007年,哈尔滨锅炉厂有限责任公司、上海汽轮机有限公司、上海汽轮发电机有限公司:1000MW汽轮发电机组运行成功
15、。国内单机容量最大的火电机组。,2007年,世界最大的水电机组在三峡运行成功。由哈电独立设计建造,700MW。此前,我国只有设计、制造320MW水电机组的能力。,School of Electrical Engineering,21,2023年3月2日星期四,二、国外发电机制造工业的发展概况 汽轮发电机 大多数国家以火电为主:(1)水电站受环境、移民等限制,投入大;(2)火电厂建厂快、投资少。50年代,100200MW60年代,300600MW 七十年代后期,8001300MW。进入80年代之后,国外发达国家汽轮发电机技术已经成熟。产品定型,实现了系列化、标准化,产品技术经济性能先进,运行可靠
16、,能充分满足电力工业的需要。从其鼎盛时期的高速发展走向平稳发展阶段,特点:,School of Electrical Engineering,22,2023年3月2日星期四,从70年代后期开始,空冷汽轮发电机的订单迅速增加,重新受到青睐。单机容量迅速提高,100MVA到350 MVA级。技术性能也迅速提高,额定运行效率(230MVA及300MVA为98.74%)与同容量级的氢冷汽轮发电机(有些实测值已达到99.2)相近。,(1)单机容量:70年代中期突破1200MW后停滞不前,巨型机组暴露一些问题,对巨型汽轮发电机需求量的增长减缓,(2)一些公司汽轮发电机产量急剧下降 GE(通用电气)和西屋公
17、司,80年代后急剧下降,School of Electrical Engineering,23,2023年3月2日星期四,(3)欧美公司并购重组形成4大集团 演变过程 Siemens-westinghouse;GE;ABB Alstom,(4)核电机组需求量增加 70年代起,核电单机容量的增长速度就超过常规机组。80年代后,研制成功1000MW级及以上的核电机组,投运的许多核电机组的单机容量也超过1000MW。以500600 MW级机组为主。目前核电汽轮发电机的发展速度也已减缓,甚至停滞不前,(5)冷却方式:早期:氢冷、空冷,School of Electrical Engineering,2
18、4,2023年3月2日星期四,目前:定子绕组:大多采用水内冷转子绕组:部分国家采用水内冷,多采用氢冷或空冷。“内冷”:把线圈导线做成空心的,让流体直接吹过铜线,对线圈进行直接冷却。冷却介质:空气 氢气 液体内冷(上世纪50年代),水的冷却能力最强:国际上第一次出现水内冷(1956年,定子)对于转子水内冷,在文献上虽然有过讨论,但由于某些重大技术问题难以解决 1958年,中国的双水内冷。,School of Electrical Engineering,25,2023年3月2日星期四,双水内冷:我国的自主创新成果。郑光华教授和上海电机厂于1958年制造的12000千瓦双水内冷汽轮发电机,是世界上
19、第一台定子、转子双水内冷汽轮发电机。1964年,郑光华获国家发明一等奖,1985年获国家科技进步一等奖。,4大冷却技术体系(1)GE体系:水氢氢:定子绕组水内冷,转子气隙取气式氢内冷,定子铁心、端部构件氢外冷。冷却效果好、转子温度均匀、发电机效率较高等优点。其单机容量可达1500-1800MW左右。前苏联、中国等仿效。,School of Electrical Engineering,26,2023年3月2日星期四,(2)西屋体系:定子氢内冷和转子轴向氢内冷。这种冷却系统用于1000MW级汽轮发电机尚可,但用于更大容量的汽轮发电机就困难较大,制造难度和技术经济性也差,(3)西门子体系:氢氢氢、
20、水氢氢,(4)ABB体系:主要方式:水氢氢,其次:双水内冷,水电设备 60年代以前,最大200MW 60年代,200500MW 70年代,600MW 定子绕组水内冷、转子绕组强迫空气冷(有的水内冷),School of Electrical Engineering,27,2023年3月2日星期四,三、中小型电机制造工业的发展概况 中小型电机是量大面广的机电产品,它广泛应用于工业、农业、国防、公共设施和家用电器等各个领域,如风机、泵、压缩机、纺织机、轧钢机、机床、空调机、电动车辆的动力等。其用电量占全国总发电量的60%以上。对国民经济建设、能源利用、环境保护和人民生活的提高都有重要影响。各国政府
21、对其发展均相当重视,并制定了相应的法规、标准和优惠政策加以制约、规范和扶持。,School of Electrical Engineering,28,2023年3月2日星期四,1 国外发展趋势:在材料、工艺、设计等方面不断进行改进,电机更新换代速度快、开发周期短,技术先进。国外电机的先进水平主要体现在:可靠性高、寿命长、专业化程度高、电机效率高、噪声低、外形美观、绝缘等级高(采用F级或H级)等方面。以美国、欧盟为代表的工业发达国家又在高效电机、变频电机和特种电机等方面作了大量细致和深入的研究工作,推出了新的产品系列,制定了相应的产品标准。,School of Electrical Engine
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