水輪發(fā)電機(jī)組無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)的研發(fā)

周鳳武，龍欣苗，吳小波

（中國(guó)長(zhǎng)江動(dòng)力集團(tuán)有限公司，湖北 武漢430068）

無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)沒(méi)有碳刷，因而沒(méi)有碳刷磨損造成的粉塵污染；無(wú)滑動(dòng)接觸部分，所以維護(hù)簡(jiǎn)單，可靠性高；沒(méi)有旋轉(zhuǎn)接觸的導(dǎo)電部分，不會(huì)產(chǎn)生火花，因此也特別適用于有易燃?xì)怏w及多粉塵等惡劣環(huán)境條件下的運(yùn)行場(chǎng)合.近年來(lái)，中國(guó)長(zhǎng)江動(dòng)力集團(tuán)有限公司為滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的需求，成功開(kāi)發(fā)了水輪發(fā)電機(jī)組無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)產(chǎn)品，并用于多個(gè)美國(guó)水電站中.

1 無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)原理

無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)是利用二極管的單向?qū)щ娦阅?，將三相交流發(fā)電機(jī)的電樞電流通過(guò)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(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組進(jìn)行勵(lì)磁.由于無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)的電樞繞組和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組直接連接同軸旋轉(zhuǎn)，無(wú)碳刷滑動(dòng)接觸，故稱(chēng)無(wú)刷勵(lì)磁［1］.無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)原理如圖1所示.

圖1 無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)原理示意圖

2 技術(shù)參數(shù)

無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)是一個(gè)旋轉(zhuǎn)電樞式交流同步發(fā)電機(jī)，有其自身的工作特點(diǎn)，所帶負(fù)載也有其特殊性.因此在電磁設(shè)計(jì)上，需要滿(mǎn)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(jī)的勵(lì)磁數(shù)據(jù)Ufo、Ifo、Ud、Id等，由計(jì)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(lì)磁機(jī)電樞繞組的負(fù)載是一個(gè)經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器供電的大電感（主發(fā)電機(jī)的勵(lì)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(shí)，電流不能突變，產(chǎn)生了換相角，交流勵(lì)磁機(jī)的輸出相電壓、相電流波形發(fā)生了畸變，這就使無(wú)刷交流勵(lì)磁機(jī)的設(shè)計(jì)與一般交流發(fā)電機(jī)有所不同［3］.一般取換向角γ為30°～40°，換向角計(jì)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(lì)磁時(shí)間常數(shù)和電壓增長(zhǎng)速度

無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)是勵(lì)磁系統(tǒng)的一部分，對(duì)電壓增長(zhǎng)速度有較高要求.為提高電壓增長(zhǎng)速度，須減小交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組的時(shí)間常數(shù)電壓增長(zhǎng)速度

2.4 強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)

為滿(mǎn)足水輪發(fā)電機(jī)的最大強(qiáng)勵(lì)要求，交流勵(lì)磁機(jī)的額定工作點(diǎn)取在空載特性曲線的線性部分（圖2中N 點(diǎn)），即交流勵(lì)磁機(jī)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(diǎn)以下［5］.

圖2 空載特性曲線

3 無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)結(jié)構(gòu)

無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)是一個(gè)旋轉(zhuǎn)電樞式結(jié)構(gòu)，勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子為電樞，定子為磁極，與所配的水輪發(fā)電機(jī)同軸旋轉(zhuǎn).圖3為水輪發(fā)電機(jī)組總體布置示意圖.

圖3 水輪發(fā)電機(jī)組總體布置示意圖

3.1 電樞結(jié)構(gòu)

無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)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(guò)二極管整流裝置整流后供給水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子進(jìn)行勵(lì)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(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)軸上，兩端用壓圈壓緊.為便于散熱鐵心段設(shè)計(jì)有徑向通風(fēng)溝.三相交流電通過(guò)引線送入旋轉(zhuǎn)整流裝置，無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)電樞與水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為彈性聯(lián)接，圖4為無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)電樞示意圖.

圖4 無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)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(jī)殼上.

3.3 旋轉(zhuǎn)整流環(huán)

旋轉(zhuǎn)整流環(huán)是交流無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)的重要部分，在一定程度上決定交流無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)的可靠性，因此旋轉(zhuǎn)整流環(huán)上各部件的合理選用至關(guān)重要.本機(jī)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(guò)嚴(yán)格挑選，能夠耐受強(qiáng)大的離心力和機(jī)械振動(dòng).

4 勵(lì)磁機(jī)計(jì)算

4.1 基本技術(shù)參數(shù)

通過(guò)對(duì) TFL－22.6－16型無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)計(jì)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(jí)／溫升等級(jí)；F／B；換向角γ，37.3°；時(shí)間常數(shù)T′d0，0.75s；氣隙磁密Bδ，0.43T；強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)，＞1.6.

4.2 有限元分析

采用全周期邊界條件計(jì)算勵(lì)磁機(jī)磁場(chǎng)［6］，利用傳統(tǒng)電磁計(jì)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(lái)建立交流勵(lì)磁機(jī)二維實(shí)體模型，利用有限元分析方法對(duì)電磁方案進(jìn)行驗(yàn)算，其二維模型如圖5所示.經(jīng)加載計(jì)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(lì)磁電流If0作為循環(huán)變量，每次循環(huán)求出Az，可得到每個(gè)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(zhǎng)度下的每極磁通量，還需乘以本勵(lì)磁機(jī)電樞鐵芯的有效長(zhǎng)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(lì)磁機(jī)的運(yùn)行頻率；Le為電樞鐵芯的有效長(zhǎng)度.

將每次循環(huán)所得到的E0與相對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電流If0連成曲線即得到有限元計(jì)算的空載特性曲線，并以之與電磁方案曲線進(jìn)行對(duì)比（圖8），可見(jiàn)原有電磁計(jì)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(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

目前，該無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)的水輪發(fā)電機(jī)組已在美國(guó)Midway電站、Albany電站、Lower Turubull電站、Upper Turubull電站和S－cannal電站成功投入運(yùn)行，機(jī)組各項(xiàng)性能指標(biāo)良好.

［1］上海電器科學(xué)研究所.中小型電機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

［2］湘潭電機(jī)廠.交流電機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.湖南：湖南人民出版社，1978.

［3］胡滇建，程建全，王 恒.無(wú)刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)可靠性設(shè)計(jì)研究［J］.防爆電機(jī)，2004（2）：22－24.

［4］李基成.現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2002.

［5］何友觀.現(xiàn)代中小型同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)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(jī)電磁場(chǎng)有限元分析［J］.微特電機(jī)，2004，（5）：12－14.