配核電百萬千瓦級發(fā)電機5800kW無刷勵磁機研制

史德利，王庭山，胡建波

（上海電氣電站設(shè)備有限公司發(fā)電機廠，上海 200240）

0 前言

無刷勵磁有較長的歷史，是比較普遍而且成熟可靠的勵磁技術(shù)。無刷勵磁在國外發(fā)電機組上廣泛使用，尤其是大容量核電機組，都采用無刷勵磁技術(shù)。上海發(fā)電機廠制造無刷勵磁機有悠久的歷史，目前各容量發(fā)電機均配套有無刷勵磁機產(chǎn)品，現(xiàn)出口國外機組大都采用無刷勵磁。隨著大電流整流二極管元件可靠性日益提高，無刷勵磁機在大容量機組上，以其同軸勵磁且無電刷的結(jié)構(gòu)特點幾乎無須維護(hù)，運行安全可靠，被越來越多用戶所接受。

1 5800kW無刷勵磁機主要技術(shù)參數(shù)

5800kW無刷勵磁系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

2 5800kW無刷勵磁機的設(shè)計

2.1 設(shè)計原則

（1）性能參數(shù)滿足IEC-60034、國家標(biāo)準(zhǔn)和用戶的要求。

（2）吸取國外的先進(jìn)經(jīng)驗，同時結(jié)合國內(nèi)制造經(jīng)驗進(jìn)行自主開發(fā)設(shè)計。

表1 5800kW無刷勵磁系統(tǒng)主要參數(shù)

（3）將可靠性放在首位，在滿足產(chǎn)品性能和結(jié)構(gòu)要求的前提下，盡量采用成熟可靠的結(jié)構(gòu)及國產(chǎn)化材料，以提高綜合經(jīng)濟指標(biāo)。

（4）充分考慮了產(chǎn)品系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用性。

（5）采用成熟電磁計算程序和可靠計算分析軟件。

2.2 電磁設(shè)計

2.2.1 降低損耗，減少發(fā)熱，提高效率

（1）優(yōu)化磁路，使各部分磁通密度和電流密度合理，勵磁機溫升低。

（2）電樞沖片采用無取向、高導(dǎo)磁率、低損耗的硅鋼片，嚴(yán)格控制沖片涂層，提高疊裝系數(shù)，以降低損耗。

（3）定子磁極采用高導(dǎo)磁、低損耗硅鋼片，降低勵磁損耗。

（4）電樞線圈采用 16路接法，增加散熱面積，降低溫升并減小了槽電流，減小發(fā)熱及電動力。

2.2.2 提高強勵倍數(shù)

（1）選用大功率二極管，提高二極管的平均電流和反向電壓。

（2）采用330kW大永磁機。

可滿足1.8倍強勵倍數(shù)和高起始響應(yīng)的需求。

2.2.3 優(yōu)化通風(fēng)結(jié)構(gòu)

（1）采用風(fēng)扇驅(qū)動、主勵和整流盤單獨風(fēng)路的通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)，合理分配了風(fēng)量，提高冷卻效率。

（2）通過優(yōu)化外罩結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)整個風(fēng)路設(shè)計需求。

（3）轉(zhuǎn)子電樞鐵心通風(fēng)槽片采用獨特的風(fēng)道片結(jié)構(gòu)，有利于轉(zhuǎn)子電樞繞組通風(fēng)冷卻；電樞端部壓圈上設(shè)有徑向通風(fēng)孔，對端部線圈具有冷卻作用。

2.3 機械設(shè)計

針對核電半速機直徑大的特點，設(shè)計時關(guān)鍵旋轉(zhuǎn)部件嚴(yán)格選材、核算強度，以提高產(chǎn)品的運行可靠性。

（1）采用高機械性能的電樞沖片，滿足鐵心熱套和超速時的強度要求。

（2）優(yōu)化主勵磁機與永磁機連接的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計，滿足軸系計算需要。

（3）合理選擇風(fēng)扇材料、焊接結(jié)構(gòu)，提高焊接工藝參數(shù)，滿足風(fēng)扇超速時強度要求。

（4）各種電器元件如整流組件、熔斷器等經(jīng)過嚴(yán)格的單獨超速，考核并驗證了其機械強度和電氣參數(shù)。

2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

5800kW 無刷勵磁機由安裝在同一根軸上的交流主流勵磁機、永磁副勵磁機、整流裝置組成。

整流盤為單盤結(jié)構(gòu)，永磁發(fā)電機為外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，通過支撐環(huán)與勵磁機軸相連。

整流裝置電路是每相每橋臂由 16個二極管并聯(lián)連接的三相橋式整流電路，每個整流組件有兩個并聯(lián)的二極管。轉(zhuǎn)子實物圖如圖1所示。

圖1 5800kW無刷勵磁機實物照片

勵磁機外罩上部裝有兩個冷卻器，兩組冷卻器出來冷風(fēng)匯合后借助于在軸上安裝的風(fēng)扇，一路通往整流盤，再借助于整流盤的自身鼓風(fēng)作用冷卻整流盤；另一路通往交流勵磁機，冷卻交流勵磁機；兩路熱風(fēng)匯合后再回到主勵冷卻器和整流盤冷卻器，這樣一方面有效降低各部分溫升，另一方面即使退出一組冷卻器后仍有冷風(fēng)冷卻電樞和整流盤，提高了機組運行可靠性。勵磁機冷卻風(fēng)路圖如圖2所示。

圖2 勵磁機冷卻風(fēng)路圖

該勵磁機設(shè)有勵磁電流檢測及接地檢測功能。并配有空間加熱器，用于停機時防止勵磁機內(nèi)部結(jié)露。

所有絕緣采用F級絕緣，按B級溫升考核。

勵磁機工作原理如圖3所示。永磁副勵磁機產(chǎn)生三相交流電，通過自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）整流和控制提供一可變的直流電流給主勵磁機勵磁。在主勵磁機轉(zhuǎn)子感應(yīng)的三相交流電經(jīng)過旋轉(zhuǎn)整流橋整流后，通過轉(zhuǎn)軸內(nèi)的直流引線提供給發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組。

2.4.1 主勵定子

（1）主勵定子16個磁極，磁極鐵心及線圈細(xì)長，鐵心采取特殊壓裝工藝，減少變形；控制磁極線圈制造精度，保證了定子最終裝配質(zhì)量。

圖3 5800kW無刷勵磁機系統(tǒng)示意圖

（2）定子勵磁繞組采用特殊的冷卻線匝，提高散熱面積，加強冷卻。

（3）在磁極間布置兩個測量勵磁電流用的交軸線圈，解決了無刷勵磁機不能檢測勵磁電流的不足。

2.4.2 轉(zhuǎn)子電樞結(jié)構(gòu)特點

（1）電樞沖片采用耐高溫的水溶性漆，該漆絕緣性能更好，且高溫時漆膜熱收縮變形小。

（2）壓裝好的勵磁機電樞鐵心熱套于轉(zhuǎn)軸上，保證鐵心軸向良好的收緊力。

（3）電樞采用旋轉(zhuǎn)澆浸，增加了電樞絕緣的機械與電氣強度，消除了線圈與鐵心之間的間隙，避免了小間隙引起的局部放電，提高整機壽命與可靠性。

（4）電樞兩端采用可靠成熟的無緯帶綁扎技術(shù)，形成絕緣性能良好且機械性能可靠的端部“護(hù)環(huán)”。

2.4.3 旋轉(zhuǎn)整流裝置

（1）旋轉(zhuǎn)整流裝置為單盤結(jié)構(gòu)，三相六橋臂全波整流，每橋臂有16個并聯(lián)支路，共16個二極管，有足夠的裕量，能保證額定勵磁和強勵要求。

（2）整流元件采用大功率防爆型二極管，反向擊穿電壓提高一個等級。

（3）整流盤裝配采用自通風(fēng)冷卻設(shè)計，整流盤側(cè)面開有通風(fēng)口，靠自身離心作用冷卻每個整流元件，有效降低整流元件溫升。

（4）旋轉(zhuǎn)整流元件配有手持式的頻閃儀，可以隨時觀測熔斷器和各支路的狀態(tài)。

（5）每個交流引線單獨連接一個整流組件，從結(jié)構(gòu)上提高了整流的均流性。

2.4.4 永磁機

永磁機采用大體積、大重量磁鋼，增大了永磁機容量，滿足了強勵需求，提高機組運行可靠性等。

3 5800kW無刷勵磁機的關(guān)鍵工藝

（1）電樞鐵心采用冷熱壓技術(shù)，有效防止鐵心松動。

（2）電樞采用整體澆浸、旋轉(zhuǎn)烘焙技術(shù)，對烘焙溫度、時間和工藝有特殊要求，確保線圈與電樞鐵心、電樞端部及整個電樞浸漬成一個整體。

（3）采用可靠的電樞鐵心熱套技術(shù)，將轉(zhuǎn)軸冷卻、電樞鐵心加熱、轉(zhuǎn)軸吊起穿入電樞鐵心的熱套方式，提高了熱套的可靠性。

（4）先進(jìn)的無緯帶綁扎技術(shù)；采用進(jìn)口拉力設(shè)備和加熱器，控制打箍加熱溫度和拉力，消除打箍裂紋，提高打箍表觀質(zhì)量。

（5）采用特定工藝組裝整流盤及元件，確保在高速旋轉(zhuǎn)工況下電氣性能與機械性能完好。

（6）由于磁鋼體積大、加工難度高，通過采用分塊設(shè)計，控制澆注、熱處理工藝參數(shù)，采用線切割加工方法，保證了磁鋼制造質(zhì)量。

（7）通過反復(fù)研究充磁方案和試驗充磁參數(shù)，采用電容脈沖快速充磁技術(shù)，使副勵磁機充磁取得圓滿成功，副勵磁機輸出電壓滿足設(shè)計要求。

4 5800kW無刷勵磁機試驗結(jié)果

5800kW 無刷勵磁機與西門子同等容量無刷勵磁機試驗結(jié)果比較，見表2。

表2 5800kW無刷勵磁機試驗結(jié)果比較

從型式試驗結(jié)果表明：

該勵磁機各項性能指標(biāo)優(yōu)良，具有出力裕度大，溫升低、軸系動力特性優(yōu)良等特點。

永磁機輸出電壓調(diào)整特性優(yōu)良，能有效提高勵磁機響應(yīng)速度，滿足勵磁機強勵要求。

5 與當(dāng)前國內(nèi)外同類研究、技術(shù)的綜合比較

與當(dāng)前國內(nèi)外同類研究、同類技術(shù)的無刷勵磁機相比，5800kW無刷勵磁機具有以下創(chuàng)新點：

（1）高參數(shù)、高強勵倍數(shù)、大容量。

（2）采用新技術(shù)、新材料和新工藝，較以前國內(nèi)生產(chǎn)制造的勵磁機有很大改進(jìn)。

采用先進(jìn)的無緯帶綁扎技術(shù)，能更好地控制產(chǎn)品質(zhì)量；整流組件裝配、電樞整浸、電樞熱套和永磁機充磁等關(guān)鍵技術(shù)在國內(nèi)外同類技術(shù)中居于領(lǐng)先。

（3）應(yīng)用了先進(jìn)的交軸線圈測量技術(shù)，解決了無刷勵磁機無法測量勵磁電流的問題。

（4）選用了大功率的整流二極管，提高了勵磁機的強勵能力。

（5）攻克了大體積磁鋼的制造技術(shù)，使外轉(zhuǎn)子優(yōu)勢得到充分發(fā)揮；采用了自主研制的充磁技術(shù)，使永磁機電壓調(diào)整特性得到大大提高。

（6）優(yōu)化通風(fēng)結(jié)構(gòu)，采用高效穿片冷卻器，使勵磁機通風(fēng)冷卻得到了加強。

6 應(yīng)用情況

目前，上海電氣已承接百萬級核電機組訂單共16臺，其中全部為無刷勵磁。大容量機組勵磁需要更大的勵磁電流，對維護(hù)簡單、運行安全可靠的無刷勵磁方式將有更廣闊的市場前景，特別是日益擴大的核電市場。

7 結(jié)論

綜上所述，5800kW無刷勵磁機已成功完成設(shè)計制造，各項性能指標(biāo)優(yōu)異，技術(shù)成熟可靠，可以滿足匹配1100MW級核電發(fā)電機無刷勵磁的需求。

5800kW 無刷勵磁機設(shè)計制造在國內(nèi)居于領(lǐng)先水平，在國際上達(dá)到先進(jìn)水平。該型無刷勵磁機研制成功，不僅填補了國內(nèi)該領(lǐng)域國產(chǎn)無刷勵磁機的空白，而且為我國發(fā)展配核電更大等級發(fā)電機的無刷勵磁機研制打下堅實基礎(chǔ)。

[1] 汪耕, 李希明.大型汽輪發(fā)電機設(shè)計、制造與運行[M].上海: 上海科學(xué)技術(shù)出版社, 2000.

[2] 湯蘊璆.電機學(xué)--機電能量轉(zhuǎn)換[M].北京: 機械工業(yè)出版社, 1981.