帶副繞組無刷勵(lì)磁水輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用

裘迪林，王宗云，陳芬球

(杭州杭發(fā)發(fā)電設(shè)備有限公司，浙江 杭州 311201)

0 引 言

目前，發(fā)電機(jī)選用的勵(lì)磁方式主要有靜止可控硅勵(lì)磁和無刷勵(lì)磁兩種典型的方式。靜止可控硅勵(lì)磁方式，發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁系統(tǒng)為兩套獨(dú)立系統(tǒng)，勵(lì)磁系統(tǒng)響應(yīng)速度快，在水電產(chǎn)品中使用較為普遍；但靜止可控硅勵(lì)磁方式發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流用電刷和集電環(huán)引入，存在集電環(huán)火花和碳粉污染問題。另一方面，因勵(lì)磁電流由勵(lì)磁系統(tǒng)提供，電站需配置勵(lì)磁變和勵(lì)磁柜，勵(lì)磁系統(tǒng)建設(shè)較復(fù)雜且成本高。無刷勵(lì)磁方式，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流由勵(lì)磁機(jī)提供，徹底解決了集電環(huán)火花和碳粉污染問題；但勵(lì)磁機(jī)定子電源由發(fā)電機(jī)機(jī)端勵(lì)磁變壓器提供，勵(lì)磁電壓為廠用交流電，電壓受電網(wǎng)波動(dòng)影響較大。

浙江省磐安縣下坑水電站增容改造時(shí)，業(yè)主要求機(jī)組帶副繞組無刷勵(lì)磁水輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，電站不配置勵(lì)磁變壓器等設(shè)備，要求增容改造電站建設(shè)成本低、勵(lì)磁系統(tǒng)簡單、運(yùn)行維護(hù)方便、自動(dòng)化程度高。因此，針對(duì)業(yè)主要求進(jìn)行了相關(guān)研究。

1 可行性分析

常規(guī)的無刷勵(lì)磁機(jī)定子勵(lì)磁方式采用變壓器降壓后經(jīng)三相橋式整流，接入AVR電壓調(diào)節(jié)器，供給無刷勵(lì)磁機(jī)定子勵(lì)磁。

從電磁感應(yīng)原理上分析，帶副繞組無刷勵(lì)磁水輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)技術(shù)是可行的。在定子槽中設(shè)置副繞組，副繞組感應(yīng)輸出三相交流電勢(shì)，經(jīng)AVR可控硅整流，輸送到無刷勵(lì)磁機(jī)定子作為勵(lì)磁機(jī)的直流電源。勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子電樞感應(yīng)三相對(duì)稱電勢(shì)傳輸?shù)饺嗾鳂蛏希?jīng)旋轉(zhuǎn)整流盤整流，將交流電勢(shì)變成直流電勢(shì)供給發(fā)電機(jī)磁極勵(lì)磁繞組勵(lì)磁，發(fā)電機(jī)定子繞組感應(yīng)出三相對(duì)稱電勢(shì)(見圖1、圖2)。

圖1 勵(lì)磁電氣原理圖

2 技術(shù)研發(fā)

2.1 總體結(jié)構(gòu)布置

發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)布置采用臥式、三支點(diǎn)布置結(jié)構(gòu)，通風(fēng)方式采用管道通風(fēng)方式，軸承冷卻采用油冷卻器自循環(huán)冷卻方式。無刷勵(lì)磁機(jī)設(shè)置在發(fā)電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端的最右側(cè)，飛輪設(shè)置在徑向軸承與無刷勵(lì)磁機(jī)中間，定子、軸承、飛輪、無刷勵(lì)磁機(jī)置于底板上。無刷勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的連接采用彈性圓盤加半聯(lián)軸器的連接方式?？傮w結(jié)構(gòu)布置具有有效縮短機(jī)組軸向長度、提高機(jī)組穩(wěn)定性的特點(diǎn)(見圖3)。

圖2 AVR調(diào)節(jié)器接線圖

1-徑向推力軸承；2-定子；3-轉(zhuǎn)子；4-副繞組引出接線盒；5-徑向軸承；6-飛輪；7-無刷勵(lì)磁機(jī)；8-底板；9-定子繞組出線；10-通風(fēng)管

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

發(fā)電機(jī)電磁設(shè)計(jì)方案時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注額定勵(lì)磁電流和額定勵(lì)磁電壓，關(guān)系到無刷勵(lì)磁機(jī)的選型和成本，計(jì)算值需準(zhǔn)確。

無刷勵(lì)磁機(jī)提供發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電源，其電磁設(shè)計(jì)方案要合理，在特殊工況時(shí)有強(qiáng)勵(lì)要求，要注意氣隙磁場(chǎng)的飽和度取值。無刷勵(lì)磁機(jī)極數(shù)選擇影響振動(dòng)和噪音，同時(shí)勵(lì)磁機(jī)極數(shù)與主機(jī)極數(shù)有關(guān)聯(lián)，選取不當(dāng)同樣會(huì)造成振動(dòng)和噪音問題。無刷勵(lì)磁機(jī)拖動(dòng)的是一個(gè)感性負(fù)載，因此無刷勵(lì)磁機(jī)自身的短路比和阻抗值要適當(dāng)，匹配不當(dāng)會(huì)造成響應(yīng)速度遲緩。

考慮國內(nèi)無刷勵(lì)磁機(jī)制造廠家已非常多，技術(shù)也較成熟，本項(xiàng)目采用外購技術(shù)水平好、質(zhì)量穩(wěn)定的無刷勵(lì)磁機(jī)廠家配套。經(jīng)電磁設(shè)計(jì)方案計(jì)算和分析，水輪發(fā)電機(jī)和無刷勵(lì)磁機(jī)電磁設(shè)計(jì)主要技術(shù)參數(shù)如下所示(見表1)。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

2.3 副繞組設(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)定子電壓為6 300 V，在高電壓定子中設(shè)置副繞組，是筆者所在公司首次應(yīng)用該技術(shù)，突破的技術(shù)難點(diǎn)如下：

2.3.1 匝數(shù)計(jì)算

副繞組所處槽中位置與定子繞組不同，磁密也將不同，分布系數(shù)和短距系數(shù)與正常定子繞組有差異；所以，副繞組匝數(shù)對(duì)輸出電壓影響很大。副繞組匝數(shù)詳細(xì)計(jì)算見公式(1)。

(1)AVR對(duì)副繞組的要求。

①接法：Y型。

② 線電壓范圍為200～260 V，取220 V，計(jì)算其相電壓為127 V。

(2)副繞組每相串聯(lián)匝數(shù)計(jì)算。

3.618

(1)

式中，Kφ為磁場(chǎng)波形系數(shù)，取0.968 7；Uφ為副繞組相電壓，取127 V；f為額定頻率，取50 Hz；φ為空載額定電壓時(shí)的每極磁通，取16.06×106Mx；Kw為副繞組的繞組系數(shù)，取0.953 85。

(3)取W付=4，再次核算線電壓為243 V，滿足AVR對(duì)副繞組線電壓范圍要求。

2.3.2 副繞組布置

根據(jù)計(jì)算，副繞組每相匝數(shù)為4，則每相每極匝數(shù)為0.5，節(jié)距為1～15，每相各設(shè)置1組備用繞組。

發(fā)電機(jī)電壓為6 300 V，為避免副繞組引出線跨越定子繞組的端部，把副繞組嵌在定子槽的槽底部位置(見圖4)。

副繞組線圈跨距較大，其端部剛度較弱，兩端部位置各設(shè)置1個(gè)端箍，用適形材料和滌綸繩將副繞組綁扎在端箍上，端箍固定在支架上(見圖4(a))。

(a)副繞組安裝圖

2.3.3 線規(guī)參數(shù)

采用9根漆包圓銅線并繞，漆包圓銅線規(guī)格為φ1.3(φ1.38)，材料為耐電暈漆包圓銅線QNY-2/200。

2.3.4 副繞組絕緣結(jié)構(gòu)

副繞組槽底直線部分絕緣結(jié)構(gòu)：用環(huán)氧玻璃布板3240上下夾住漆包線，使其平鋪，然后半疊包2層環(huán)氧粉云母帶，最后半疊包1層玻璃絲帶，包好后壓平；寬度方向接近槽寬，放入發(fā)電機(jī)定子槽的槽底(見圖5(a))。

副繞組端部及槽外直線部分絕緣結(jié)構(gòu)：將圓銅線排列整齊，半疊包3層環(huán)氧粉云母帶，最后半疊包1層玻璃絲帶(見圖5(b))。

(a)副繞組槽底直線部分絕緣結(jié)構(gòu)

2.3.5 副繞組引出線布置

定子繞組引出線設(shè)置在機(jī)座下側(cè)，從安全可靠出發(fā)，副繞組引出線盡可能遠(yuǎn)離定子繞組引出線，并單獨(dú)設(shè)置1個(gè)獨(dú)立的接線盒；接線盒含2套接線端子，其中1套接線端子用于備用副繞組接線。副繞組引出接線盒位置見圖3中所示。

3 工廠試驗(yàn)

將發(fā)電機(jī)、AVR、無刷勵(lì)磁機(jī)按圖1電氣原理圖接線，進(jìn)行空載試驗(yàn)；觀察發(fā)電機(jī)定子繞組、副繞組建壓情況，并測(cè)量定子繞組、副繞組電壓數(shù)據(jù)；測(cè)量空載試驗(yàn)時(shí)無刷勵(lì)磁機(jī)的電壓、電流數(shù)據(jù)。

3.1 測(cè)量副繞組輸出電壓

將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與無刷勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子聯(lián)軸并接線，此時(shí)AVR先不接入，用直流電源給無刷勵(lì)磁機(jī)定子供電，電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)至額定轉(zhuǎn)速，測(cè)量副繞組輸出線電壓值(見表2)。從測(cè)量結(jié)果可看出，副繞組感應(yīng)出的線電壓滿足要求(AVR對(duì)副繞組的要求：線電壓范圍為220～260 V)。

3.2 空載試驗(yàn)

發(fā)電機(jī)副繞組接入AVR，AVR與無刷勵(lì)磁機(jī)定子繞組連接，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與無刷勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子聯(lián)軸并接線，電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)至額定轉(zhuǎn)速；觀察發(fā)電機(jī)定子繞組、副繞組建壓情況。用示波器監(jiān)測(cè)電壓交流信號(hào)的波形，并測(cè)量發(fā)電機(jī)定子電壓、無刷勵(lì)磁機(jī)電壓、電流值(見表3)。

表2 副繞組輸出線電壓值

表3 空載試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)結(jié)論：空載試驗(yàn)測(cè)量的各數(shù)據(jù)顯示發(fā)電機(jī)空載試驗(yàn)建壓正常，示波器顯示發(fā)電機(jī)定子繞組和副繞組兩組電壓交流信號(hào)的周期完全一致。

4 電站應(yīng)用情況

下坑水電站共2臺(tái)機(jī)組，于2018年8月安裝完畢，2018年11月成功并網(wǎng)發(fā)電。運(yùn)行至今，機(jī)組在振動(dòng)、噪聲、溫度等性能指標(biāo)上均達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)協(xié)議要求，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。電站建設(shè)勵(lì)磁系統(tǒng)簡單、成本低、運(yùn)行維護(hù)方便、自動(dòng)化程度高，得到了客戶高度的贊譽(yù)。

5 結(jié) 語

無刷勵(lì)磁水輪發(fā)電機(jī)因發(fā)電機(jī)無集電裝置和碳刷部件，運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)無碳刷接觸火花和碳粉污染。發(fā)電機(jī)定子設(shè)置副繞組，專為無刷勵(lì)磁機(jī)定子提供勵(lì)磁電源，電源獨(dú)立且不受電力系統(tǒng)電壓波動(dòng)影響。電站不需要配置勵(lì)磁變壓器等設(shè)備，勵(lì)磁系統(tǒng)簡單、建設(shè)成本低。

通過該項(xiàng)目的實(shí)施，掌握了帶副繞組無刷勵(lì)磁水輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)技術(shù)。通過工廠試驗(yàn)和實(shí)際電站示范應(yīng)用，驗(yàn)證了該技術(shù)的穩(wěn)定可靠、性能優(yōu)越，電站建設(shè)成本低、運(yùn)行維護(hù)方便，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。