水輪發(fā)電機磁極極靴五段弧結構設計

喬照威，李洪超

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

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水輪發(fā)電機磁極極靴五段弧結構設計

喬照威，李洪超

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

摘要為滿足高轉速機組的水電形勢需求，提高水輪發(fā)電機性能，針對現(xiàn)有技術存在的不足，從降低水輪發(fā)電機電壓諧波畸變率、電話諧波含量，改善水輪發(fā)電機運行穩(wěn)定性，提高水輪發(fā)電機運行效率等指標要求出發(fā)，介紹了一種水輪發(fā)電機磁極極靴五段弧結構，著重分析該結構設計特點與方法，通過參數(shù)分析研究了各參數(shù)間的關聯(lián)性以及各段弧之間的連接關系，最后通過實際案例分析了磁極極靴五段弧結構的有效性。

關鍵詞水輪發(fā)電機；轉子磁極；五段弧極靴；極靴設計

0引言

傳統(tǒng)的水輪發(fā)電機轉子磁極極靴設計為變氣隙單圓弧結構，其最大氣隙與最小氣隙之比常取為1.35～1.5，雖然在一定程度上能夠減少氣隙磁密諧波含量，滿足電機基本性能要求，但隨著對水輪發(fā)電機電壓諧波畸變率、電話諧波含量(THF)等性能要求的提高，傳統(tǒng)的轉子磁極極靴結構已難以滿足水輪發(fā)電機電氣性能和機械性能等方面的技術指標。諸如，在發(fā)電機風洞規(guī)模、水輪機運行轉速等客觀條件無法變更的前提下，發(fā)電機極槽選擇可能無法達到最佳匹配值，從而造成氣隙磁密中諧波含量增加，使得水輪發(fā)電機定子繞組中諧波電流增大，定子繞組銅耗及鐵心損耗增加，甚至在轉子勵磁繞組、阻尼繞組以及鐵心中也產生大量諧波損耗，進一步降低了水輪發(fā)電機實際運行效率。另外，諧波磁場和諧波電流還會產生額外的轉矩脈動，致使發(fā)電機產生振動與噪聲，影響發(fā)電機安全穩(wěn)定運行。對于采用高速水輪發(fā)電機的水電機組，由于電機轉速的提高，上述問題造成的負面影響將更加突顯，其對水輪發(fā)電機的各項技術指標要求也更加嚴格，因此，高指標的要求以及新產品的開發(fā)都亟需各種有效措施的實施。

針對上述可能存在的問題，通過合理設計轉子磁極極靴結構是一種有效的解決措施?，F(xiàn)有解決方法中已有采用轉子磁極極靴三段弧設計結構，包括均勻氣隙設計和非均勻氣隙設計兩種結構形式[1]～[3]。相較于傳統(tǒng)磁極極靴結構，三段弧極靴結構中，每個轉子磁極極靴表面由三段圓弧構成，即中部圓弧和磁極兩端圓弧，該結構能夠減少極間漏磁，減輕極靴重量，減少極靴部位的風摩損耗，但該結構得到的氣隙磁場中諧波含量以及極間漏磁相對較高，諧波磁場與漏磁場對水輪發(fā)電機性能的影響較大，在高轉速水輪發(fā)電機應用中仍受到限制。

1磁極極靴五段弧結構設計

水輪發(fā)電機轉子磁極極靴五段弧結構基于水輪發(fā)電機電氣性能與機械性能相結合的設計理念，借鑒轉子磁極極靴三段弧設計思想，將傳統(tǒng)變氣隙單圓弧極靴結構設計為五段弧極靴結構，如圖1、圖2、圖3所示。其中圖1與圖2分別為向心磁極與常規(guī)磁極界面形狀示意圖；圖3為五段弧極靴結構設計原理圖，由A、B、C、D、E、F六點構成的五段圓弧為五段弧極靴表面形狀示意。

由圖1、圖2、圖3可知，水輪發(fā)電機轉子磁極極靴五段弧表面由中部圓弧AB、其左右兩側圓弧AC和BD、磁極最外兩側圓弧CE和DF，共五段圓弧平滑過渡連接而成。其具有如下特點

(1)圓弧AB的對稱中心線與轉子磁極中心線重合；圓弧AC和BD關于磁極中心線鏡像對稱；圓弧CE和DF關于磁極中心線鏡像對稱。

(2)圓弧AB的圓心O1與定子鐵心內圓圓心同心，其半徑r1與轉子外圓半徑相等；圓弧AC和BD的圓心O2L和O2R分別位于圓弧AB圓心O1與端點A、B的連接線AO1和BO1上，其具體位置取決于圓弧AB的張角大小2α1以及圓弧AC和BD的半徑大小r2。

(3)圓弧CE和DF的圓心O3L和O3R分別位于端點C與圓弧AC圓心O2L的連接線CO2L上及端點D與圓弧BD圓心O2R的連接線DO2R上，其具體位置取決于極靴的最大高度大小Hps以及圓弧CE和DF的張角大小α3。

(4)五段圓弧AB、AC、BD、CE和DF的張角大小α1、α2、α3滿足關系式

2α1+2α2+2α3=180°

(1)

或

α1+α2+α3=90°

(2)

(5)通過調整中部圓弧AB的張角大小2α1、極靴最大高度Hps的大小以及圓弧CE與DF的張角大小α3，可以構成不同的五段圓弧組合方式，從而得到不同形式的五段弧極靴結構。

2設計參數(shù)分析

為研究各參數(shù)間的關聯(lián)性，將圖3所示的磁極極靴五段弧結構設計原理圖簡化，如圖4所示。

由圖可知，各參數(shù)間存在下述關系

(3)

根據關系式(2)，式(1)可表示為

(4)

進一步，由圖4得下述關系式

(5)

式中，

a=r1-Hps-(r1-r1)cos(α1)

(6)

(7)

將式(6)與式(7)代入式(5)，得

r2=

(8)

在實際工程設計中，取

(9)

由于

(10)

故

(11)

將其代入式(8)，有

r2=

(12)

進一步，可以確定其它設計參數(shù)，如以下關系式所示

(13)

式中，

(14)

(15)

(16)

3案例分析

目前，五段弧極靴結構已經在蒲石河、響水澗、溧陽、深蓄等抽水蓄能發(fā)電機中應用。以某抽水蓄能發(fā)電電動機為例，機組設計容量為300MW，額定電壓為15.75kV，額定功率因數(shù)為0.9，額定轉速為428.6r/min，額定頻率為50Hz。經電磁設計后，按照五段弧極靴進行設計，設計參數(shù)如表1所示。

電磁場計算相關系數(shù)如表2所示。

采用常規(guī)極靴設計，取最大氣隙與最小氣隙之比為1.35，電磁場計算相關系數(shù)如表3所示。

比較表2與表3中數(shù)據可知，采用五段弧極靴結構設計，電壓波形系數(shù)與主磁場波形系數(shù)均具有較大值，表明該結構具有改善磁場、電壓波形等優(yōu)點。

圖5、圖6、圖7、圖8分別為兩種極靴結構對應的空載氣隙磁密波形及其FFT圖。

由圖可知，采用五段弧結構時，氣隙磁密基波幅值較大，且諧波含量較少，相比于常規(guī)極靴結構，能夠有效改善氣隙磁密波形。

綜上可知，磁極極靴采用五段弧設計能夠改善氣隙磁場波形及電壓波形，具有降低諧波損耗，提高水輪發(fā)電機運行效率的優(yōu)點。

4結語

本文詳細介紹了水輪發(fā)電機轉子磁極極靴結構。該結構中，每一個轉子磁極極靴表面由五段圓弧平滑過渡連接而成，其中，中部圓弧的對稱中心線與轉子磁極中心線重合；與中部圓弧相鄰的左右兩側圓弧關于磁極中心線鏡像對稱；磁極最外兩側圓弧關于磁極中心線鏡像對稱。水輪發(fā)電機轉子磁極極靴采用五段弧結構，能夠取得更好的氣隙磁場波形及電壓波形布，有助于改善電能質量，降低轉矩脈動，減少諧波損耗，提高發(fā)電機運行效率。

參考文獻

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[5]魏玉國.水輪發(fā)電機甩油及油霧問題分析及處理.防爆電機，2015.1.

Structural Design of 5-Arc Magnetic Pole Shoe of Hydro-Generator

QiaoZhaoweiandLiHongchao

(Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China)

AbstractIn order to meet the development requirements of hydroelectric power of high-speed unit and improve the performance of hydro-generator, this paper introduces a 5-arc structure of hydro- generator magnetic pole shoe from aspects of reducing voltage waveform distortion and telephone harmonic content, improving operational stability and increasing operational efficiency to overcome the shortcomings of existing technology, emphatically analyzes characteristics and method of structural design, researches correlations among the parameters and connection relationships among the arcs through analyzing parameters and finally proves effectiveness of 5-arc structure of magnetic pole shoe based on actual examples.

Key wordsHydro-generator；magnetic pole of rotor；5-arc magnetic pole shoe；design of pole shoe

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.03.03

中圖分類號：TM312

文獻標識碼：A

文章編號：1008-7281(2016)03-0008-004

作者簡介：喬照威男1984年生；畢業(yè)于天津大學，現(xiàn)從事水輪發(fā)電機設計工作.

收稿日期：2016-02-23