水輪發電機組無刷勵磁機的研發

周鳳武，龍欣苗，吳小波

（中國長江動力集團有限公司，湖北 武漢430068）

無刷勵磁系統沒有碳刷，因而沒有碳刷磨損造成的粉塵污染；無滑動接觸部分，所以維護簡單，可靠性高；沒有旋轉接觸的導電部分，不會產生火花，因此也特別適用于有易燃氣體及多粉塵等惡劣環境條件下的運行場合.近年來，中國長江動力集團有限公司為滿足國內外市場的需求，成功開發了水輪發電機組無刷勵磁機產品，并用于多個美國水電站中.

1 無刷勵磁機原理

無刷勵磁機是利用二極管的單向導電性能，將三相交流發電機的電樞電流通過三相橋式整流，將交流電流變換成直流電流，直接送給發電機轉子勵磁繞組進行勵磁.由于無刷勵磁機的電樞繞組和發電機轉子勵磁繞組直接連接同軸旋轉，無碳刷滑動接觸，故稱無刷勵磁［1］.無刷勵磁機系統原理如圖1所示.

圖1 無刷勵磁機系統原理示意圖

2 技術參數

無刷勵磁機是一個旋轉電樞式交流同步發電機，有其自身的工作特點，所帶負載也有其特殊性.因此在電磁設計上，需要滿足許多特殊要求.

2.1 額定功率、額定電流和視在功率

根據水輪發電機的勵磁數據Ufo、Ifo、Ud、Id等，由計算公式［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

由于交流勵磁機電樞繞組的負載是一個經旋轉整流器供電的大電感（主發電機的勵磁繞組），加之電樞繞組內電抗的存在，使旋轉整流器換相時，電流不能突變，產生了換相角，交流勵磁機的輸出相電壓、相電流波形發生了畸變，這就使無刷交流勵磁機的設計與一般交流發電機有所不同［3］.一般取換向角γ為30°～40°，換向角計算公式為

為保證換相重疊角γ在30°～40°范圍內，要求換相電抗Xc≈0.2.

2.3 勵磁時間常數和電壓增長速度

無刷勵磁機是勵磁系統的一部分，對電壓增長速度有較高要求.為提高電壓增長速度，須減小交流勵磁機勵磁繞組的時間常數電壓增長速度

2.4 強勵倍數

為滿足水輪發電機的最大強勵要求，交流勵磁機的額定工作點取在空載特性曲線的線性部分（圖2中N 點），即交流勵磁機的氣隙磁通密度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以下［5］.

圖2 空載特性曲線

3 無刷勵磁機結構

無刷勵磁機是一個旋轉電樞式結構，勵磁機轉子為電樞，定子為磁極，與所配的水輪發電機同軸旋轉.圖3為水輪發電機組總體布置示意圖.

圖3 水輪發電機組總體布置示意圖

3.1 電樞結構

無刷勵磁機的旋轉電樞以三相交流電供給同軸旋轉的二極管整流裝置，經過二極管整流裝置整流后供給水輪發電機的轉子進行勵磁.電樞繞組采用雙層波繞組，用3240制成的槽楔固定在槽內；電樞沖片用優質硅鋼片沖制而成，直接迭壓在勵磁機轉軸上，兩端用壓圈壓緊.為便于散熱鐵心段設計有徑向通風溝.三相交流電通過引線送入旋轉整流裝置，無刷勵磁機電樞與水輪發電機轉子為彈性聯接，圖4為無刷勵磁機電樞示意圖.

圖4 無刷勵磁機電樞示意圖

3.2 定子結構

定子磁極為凸極式結構，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殼上.

3.3 旋轉整流環

旋轉整流環是交流無刷勵磁機的重要部分，在一定程度上決定交流無刷勵磁機的可靠性，因此旋轉整流環上各部件的合理選用至關重要.本機組旋轉整流采用三相橋式全波整流電路，整流元件采用的旋轉二極管都經過嚴格挑選，能夠耐受強大的離心力和機械振動.

4 勵磁機計算

4.1 基本技術參數

通過對 TFL－22.6－16型無刷勵磁機計算分析得：額定功率，22.6kVA／20.4kW；額定電壓，82 V；額定電流，159A；額定轉速，257.1r／min；功率因數，0.906；相數，3；接法，Y；絕緣等級／溫升等級；F／B；換向角γ，37.3°；時間常數T′d0，0.75s；氣隙磁密Bδ，0.43T；強勵倍數，＞1.6.

4.2 有限元分析

采用全周期邊界條件計算勵磁機磁場［6］，利用傳統電磁計算擬定的定、轉子沖片的規格，線圈參數和氣隙等數據來建立交流勵磁機二維實體模型，利用有限元分析方法對電磁方案進行驗算，其二維模型如圖5所示.經加載計算，得到其空載狀態下磁力線的分布和磁通分布云圖（圖6，圖7）.

選取空載勵磁電流If0作為循環變量，每次循環求出Az，可得到每個極上的磁通量0，則相電壓有效值E0＝4.44 NKn1f0，由于求出的是單位長度下的每極磁通量，還需乘以本勵磁機電樞鐵芯的有效長度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的總匝數；KN1為繞組系數；f為勵磁機的運行頻率；Le為電樞鐵芯的有效長度.

將每次循環所得到的E0與相對應的勵磁電流If0連成曲線即得到有限元計算的空載特性曲線，并以之與電磁方案曲線進行對比（圖8），可見原有電磁計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比

5 結束語

目前，該無刷勵磁機的水輪發電機組已在美國Midway電站、Albany電站、Lower Turubull電站、Upper Turubull電站和S－cannal電站成功投入運行，機組各項性能指標良好.

［1］上海電器科學研究所.中小型電機設計手冊［M］.北京：機械工業出版社，1995.

［2］湘潭電機廠.交流電機設計手冊［M］.湖南：湖南人民出版社，1978.

［3］胡滇建，程建全，王 恒.無刷勵磁發電機可靠性設計研究［J］.防爆電機，2004（2）：22－24.

［4］李基成.現代同步發電機勵磁系統設計及應用［M］.北京：中國電力出版社，2002.

［5］何友觀.現代中小型同步發電機勵磁系統的分析與設計［M］.北京：機械工業出版社，1988.

［6］黃劭剛，夏永洪，張景明.基于ANSYS軟件的電機電磁場有限元分析［J］.微特電機，2004，（5）：12－14.