水輪發(fā)電機組無刷勵磁機的研發(fā)

周鳳武，龍欣苗，吳小波

（中國長江動力集團有限公司，湖北 武漢430068）

無刷勵磁系統(tǒng)沒有碳刷，因而沒有碳刷磨損造成的粉塵污染；無滑動接觸部分，所以維護簡單，可靠性高；沒有旋轉(zhuǎn)接觸的導電部分，不會產(chǎn)生火花，因此也特別適用于有易燃氣體及多粉塵等惡劣環(huán)境條件下的運行場合.近年來，中國長江動力集團有限公司為滿足國內(nèi)外市場的需求，成功開發(fā)了水輪發(fā)電機組無刷勵磁機產(chǎn)品，并用于多個美國水電站中.

1 無刷勵磁機原理

無刷勵磁機是利用二極管的單向?qū)щ娦阅埽瑢⑷嘟涣靼l(fā)電機的電樞電流通過三相橋式整流，將交流電流變換成直流電流，直接送給發(fā)電機轉(zhuǎn)子勵磁繞組進行勵磁.由于無刷勵磁機的電樞繞組和發(fā)電機轉(zhuǎn)子勵磁繞組直接連接同軸旋轉(zhuǎn)，無碳刷滑動接觸，故稱無刷勵磁［1］.無刷勵磁機系統(tǒng)原理如圖1所示.

圖1 無刷勵磁機系統(tǒng)原理示意圖

2 技術(shù)參數(shù)

無刷勵磁機是一個旋轉(zhuǎn)電樞式交流同步發(fā)電機，有其自身的工作特點，所帶負載也有其特殊性.因此在電磁設計上，需要滿足許多特殊要求.

2.1 額定功率、額定電流和視在功率

根據(jù)水輪發(fā)電機的勵磁數(shù)據(jù)Ufo、Ifo、Ud、Id等，由計算公式［2］

和

得：額定電壓Un＝K1U1（K1為電壓裕度）；額定電流In＝K2I1（K2為電流裕度）；視在功率Ps＝m UnIn.

2.2 換向角取值

由于交流勵磁機電樞繞組的負載是一個經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器供電的大電感（主發(fā)電機的勵磁繞組），加之電樞繞組內(nèi)電抗的存在，使旋轉(zhuǎn)整流器換相時，電流不能突變，產(chǎn)生了換相角，交流勵磁機的輸出相電壓、相電流波形發(fā)生了畸變，這就使無刷交流勵磁機的設計與一般交流發(fā)電機有所不同［3］.一般取換向角γ為30°～40°，換向角計算公式為

為保證換相重疊角γ在30°～40°范圍內(nèi)，要求換相電抗Xc≈0.2.

2.3 勵磁時間常數(shù)和電壓增長速度

無刷勵磁機是勵磁系統(tǒng)的一部分，對電壓增長速度有較高要求.為提高電壓增長速度，須減小交流勵磁機勵磁繞組的時間常數(shù)電壓增長速度

2.4 強勵倍數(shù)

為滿足水輪發(fā)電機的最大強勵要求，交流勵磁機的額定工作點取在空載特性曲線的線性部分（圖2中N 點），即交流勵磁機的氣隙磁通密度Bδ取值在0.4T左右，并控制電樞齒部磁通密度在所用硅鋼片材料磁化特性的飽和點以下［5］.

圖2 空載特性曲線

3 無刷勵磁機結(jié)構(gòu)

無刷勵磁機是一個旋轉(zhuǎn)電樞式結(jié)構(gòu)，勵磁機轉(zhuǎn)子為電樞，定子為磁極，與所配的水輪發(fā)電機同軸旋轉(zhuǎn).圖3為水輪發(fā)電機組總體布置示意圖.

圖3 水輪發(fā)電機組總體布置示意圖

3.1 電樞結(jié)構(gòu)

無刷勵磁機的旋轉(zhuǎn)電樞以三相交流電供給同軸旋轉(zhuǎn)的二極管整流裝置，經(jīng)過二極管整流裝置整流后供給水輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子進行勵磁.電樞繞組采用雙層波繞組，用3240制成的槽楔固定在槽內(nèi)；電樞沖片用優(yōu)質(zhì)硅鋼片沖制而成，直接迭壓在勵磁機轉(zhuǎn)軸上，兩端用壓圈壓緊.為便于散熱鐵心段設計有徑向通風溝.三相交流電通過引線送入旋轉(zhuǎn)整流裝置，無刷勵磁機電樞與水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子為彈性聯(lián)接，圖4為無刷勵磁機電樞示意圖.

圖4 無刷勵磁機電樞示意圖

3.2 定子結(jié)構(gòu)

定子磁極為凸極式結(jié)構(gòu)，磁極線圈用聚脂漆包線繞制而成，主磁極采用薄鋼板沖制的沖片迭壓而成，主磁極利用螺栓固定在機殼上.

3.3 旋轉(zhuǎn)整流環(huán)

旋轉(zhuǎn)整流環(huán)是交流無刷勵磁機的重要部分，在一定程度上決定交流無刷勵磁機的可靠性，因此旋轉(zhuǎn)整流環(huán)上各部件的合理選用至關重要.本機組旋轉(zhuǎn)整流采用三相橋式全波整流電路，整流元件采用的旋轉(zhuǎn)二極管都經(jīng)過嚴格挑選，能夠耐受強大的離心力和機械振動.

4 勵磁機計算

4.1 基本技術(shù)參數(shù)

通過對 TFL－22.6－16型無刷勵磁機計算分析得：額定功率，22.6kVA／20.4kW；額定電壓，82 V；額定電流，159A；額定轉(zhuǎn)速，257.1r／min；功率因數(shù)，0.906；相數(shù)，3；接法，Y；絕緣等級／溫升等級；F／B；換向角γ，37.3°；時間常數(shù)T′d0，0.75s；氣隙磁密Bδ，0.43T；強勵倍數(shù)，＞1.6.

4.2 有限元分析

采用全周期邊界條件計算勵磁機磁場［6］，利用傳統(tǒng)電磁計算擬定的定、轉(zhuǎn)子沖片的規(guī)格，線圈參數(shù)和氣隙等數(shù)據(jù)來建立交流勵磁機二維實體模型，利用有限元分析方法對電磁方案進行驗算，其二維模型如圖5所示.經(jīng)加載計算，得到其空載狀態(tài)下磁力線的分布和磁通分布云圖（圖6，圖7）.

選取空載勵磁電流If0作為循環(huán)變量，每次循環(huán)求出Az，可得到每個極上的磁通量0，則相電壓有效值E0＝4.44 NKn1f0，由于求出的是單位長度下的每極磁通量，還需乘以本勵磁機電樞鐵芯的有效長度Le，即相電壓有效值為E0＝4.44 NKn1f0Le.其中：N為每相繞組每條支路串聯(lián)的總匝數(shù)；KN1為繞組系數(shù)；f為勵磁機的運行頻率；Le為電樞鐵芯的有效長度.

將每次循環(huán)所得到的E0與相對應的勵磁電流If0連成曲線即得到有限元計算的空載特性曲線，并以之與電磁方案曲線進行對比（圖8），可見原有電磁計算與有限元得到的空載特性曲線基本吻合.

圖8 空載特性曲線與電磁方案曲線對比

5 結(jié)束語

目前，該無刷勵磁機的水輪發(fā)電機組已在美國Midway電站、Albany電站、Lower Turubull電站、Upper Turubull電站和S－cannal電站成功投入運行，機組各項性能指標良好.

［1］上海電器科學研究所.中小型電機設計手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1995.

［2］湘潭電機廠.交流電機設計手冊［M］.湖南：湖南人民出版社，1978.

［3］胡滇建，程建全，王 恒.無刷勵磁發(fā)電機可靠性設計研究［J］.防爆電機，2004（2）：22－24.

［4］李基成.現(xiàn)代同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)設計及應用［M］.北京：中國電力出版社，2002.

［5］何友觀.現(xiàn)代中小型同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的分析與設計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1988.

［6］黃劭剛，夏永洪，張景明.基于ANSYS軟件的電機電磁場有限元分析［J］.微特電機，2004，（5）：12－14.