試析水輪發(fā)電機設計的優(yōu)化方案

陳前榮

（杭州長河發(fā)電設備有限公司，浙江 杭州 310051）

隨著科學技術的不斷發(fā)展以及人們用電需求的增加，如何設計出更加優(yōu)質(zhì)的水輪發(fā)電機，在持續(xù)供電的同時確保自身運轉(zhuǎn)高效、穩(wěn)定已經(jīng)成為當務之急。筆者結(jié)合多年的實踐經(jīng)驗提出了自己的建議。

1 水輪發(fā)電機設計特點

水輪發(fā)電機的驅(qū)動依靠水輪機，水輪機的型式通常決定了水輪發(fā)電機的安裝結(jié)構(gòu)形式。由于水電站的具體環(huán)境以及工作狀況的差別，水輪發(fā)電機組的實際容量和轉(zhuǎn)速的情況也不一致，小容量的水輪發(fā)電機能夠單機獨立進行供電，也可以多機并聯(lián)組成一個電網(wǎng)向周圍區(qū)域供電，中、大水輪發(fā)電機通常與大電網(wǎng)連接。由于水輪發(fā)電機組要求快啟動和迅速地開停機，調(diào)速要求靈活，因此在電力系統(tǒng)中，水輪發(fā)電機除了承擔基本任務外，還需要擔任調(diào)峰等功能。水輪發(fā)電機與其他種類的發(fā)電機相比，具有以下特點:（1）對飛輪轉(zhuǎn)矩GD2有較大要求，轉(zhuǎn)子的直徑以及外形尺寸相對較大。（2）水電站一般離負荷中心較遠，通常需要經(jīng)過較長的高壓線路才能順利的實現(xiàn)供電，因此，水輪發(fā)電機要保證動態(tài)穩(wěn)定以及靜態(tài)穩(wěn)定必須有較好的技術保障。（3）水輪發(fā)電機盡管實現(xiàn)飛逸轉(zhuǎn)速的可能性不大，然而在設計過程中，設計者必須保障轉(zhuǎn)動部分的機械強度能夠?qū)崿F(xiàn)飛逸轉(zhuǎn)速時的正常運轉(zhuǎn)。

2 水輪發(fā)電機設計分析

2.1 對水輪發(fā)電機主要尺寸的確定

水輪發(fā)電機主要尺寸確定，需要考慮到三方面的內(nèi)容:（1）電磁設計要控制在合理的范圍，確保參數(shù)直軸瞬變電抗Xd符合標準。（2）轉(zhuǎn)子磁軛在標準的寬度以及允許應力下，要滿足GD2要求。（3）運輸要求、通風冷卻能力以及總體結(jié)構(gòu)必須科學合理。研究發(fā)現(xiàn)利用發(fā)電和自身GD2的數(shù)值，可以實現(xiàn)基本的發(fā)電機尺寸估算，計算公式:

式中，系數(shù)k滿足以下標準，如表1所示。

表1 系數(shù)k的取值

對于飛逸轉(zhuǎn)速的設計，依據(jù)轉(zhuǎn)子的機械強度，利用發(fā)生飛逸時轉(zhuǎn)子可以承受的最大周速對發(fā)電機轉(zhuǎn)子最大允許直徑進行確定，其公式如下:

轉(zhuǎn)子磁軛允許選用最大周速值如表2所示。

表2 轉(zhuǎn)子磁軛允許選用最大周速值

為了達到實際運轉(zhuǎn)過程中水輪發(fā)電機能夠擁有良好的通風冷卻效果，必須保證鐵心長度和極矩的比值不能過大，通常來說，需要滿足以下要求:lt／τ≤4.5。滿足以上要求便可以確定水輪發(fā)電機的基本尺寸。

2.2 電負荷A的選擇

電負荷A作為水輪發(fā)電機主要的技術參數(shù)以及經(jīng)濟指標，對于電機尺寸、電抗以及繞組溫度都有直接的影響。A的大小能夠直接影響定子內(nèi)圓的表面積產(chǎn)生的繞組銅損情況，進而對溫升和效率提高進行影響。A的取值要依照每極容量、電機絕緣等級以及絕緣方式進行確定。冷卻技術的不斷發(fā)展，A的取值得到了大幅度的提高。

2.3 繞組型式的選擇

水輪發(fā)電機的定子繞組可以分為多匝圈式疊繞組和單匝條式波繞組。大中型水輪發(fā)電機的定子繞組通常為雙層圈式疊繞組，大型低速的水輪發(fā)電機一般選擇雙層條式波繞組。多匝圈式疊繞組:Ns＝4，6，8，10等；單匝條式波繞組:Ns＝2，其中Ns代表每槽有效導體數(shù)。圈式疊繞組能夠有效節(jié)省用銅量，焊接容易，便于進行電負荷以及槽電流控制，然而其接線多，容易引發(fā)絕緣事故，換位不易。條式波繞組絕緣可靠，能夠有效降低環(huán)流損耗，便于檢修更換線圈，然而其電負荷和槽電流供應不穩(wěn)定，焊接費事，成本高。

2.4 定子槽數(shù)Z的選擇以及槽型設計

定子槽數(shù)的計算公式為:

水輪發(fā)電機使用開口槽，槽高以及槽寬受到電路以及磁路影響。槽寬選擇應當盡可能地降低槽漏并最大限度不影響齒的利用率，槽形尺寸依據(jù)絕緣規(guī)范確定。

2.5 磁極鐵心各部分的尺寸選擇

表3 ?p與τ的關系

3 基于NSGA－Ⅱ算法的水輪發(fā)電機優(yōu)化設計方案以及實例

NSGA－Ⅱ算法的整體復雜性為0（mN2），運算的支配排序情況部分決定運算的復雜程度，因此該種運算方法并不需要額外的共享參數(shù)。設計者只需要對當前所存在的種群以及種群中所擁有的個體數(shù)目，依照級別的不同進行分級一次存放，便能保證最佳的個體不會丟失，對于水輪電動機的設計十分有益。

（1）水輪發(fā)電機空載特定優(yōu)化

利用大小選擇為100的種群，得到最后100的組解，可以得到空載特性設計變量以及目標值的優(yōu)化，如表4、表5所示。

表4 空載特性設計變量對比表

表5 空載特性目標值對照表

（2）通風散熱設計優(yōu)化結(jié)果

通風散熱設計變量對比和目標值對比如表6、表7所示。

表6 通風散熱設計變量對比

表7 通風散熱目標值對比

4 結(jié)束語

在現(xiàn)代化建設不斷推進的時代大環(huán)境下，廣大設計者應當全面了解水輪發(fā)電機的特點，以此為基礎全面分解、研討水輪發(fā)電機的各個設計要點，為水輪發(fā)電機的優(yōu)化設計提供技術支持。筆者利用NSGA－Ⅱ算法給出了水輪發(fā)電機的優(yōu)化設計方案，并列舉案例，希望為廣大研究者提供有益的參考。

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