試析水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案

陳前榮

（杭州長(zhǎng)河發(fā)電設(shè)備有限公司，浙江 杭州 310051）

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及人們用電需求的增加，如何設(shè)計(jì)出更加優(yōu)質(zhì)的水輪發(fā)電機(jī)，在持續(xù)供電的同時(shí)確保自身運(yùn)轉(zhuǎn)高效、穩(wěn)定已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。筆者結(jié)合多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出了自己的建議。

1 水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

水輪發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)依靠水輪機(jī)，水輪機(jī)的型式通常決定了水輪發(fā)電機(jī)的安裝結(jié)構(gòu)形式。由于水電站的具體環(huán)境以及工作狀況的差別，水輪發(fā)電機(jī)組的實(shí)際容量和轉(zhuǎn)速的情況也不一致，小容量的水輪發(fā)電機(jī)能夠單機(jī)獨(dú)立進(jìn)行供電，也可以多機(jī)并聯(lián)組成一個(gè)電網(wǎng)向周圍區(qū)域供電，中、大水輪發(fā)電機(jī)通常與大電網(wǎng)連接。由于水輪發(fā)電機(jī)組要求快啟動(dòng)和迅速地開(kāi)停機(jī)，調(diào)速要求靈活，因此在電力系統(tǒng)中，水輪發(fā)電機(jī)除了承擔(dān)基本任務(wù)外，還需要擔(dān)任調(diào)峰等功能。水輪發(fā)電機(jī)與其他種類的發(fā)電機(jī)相比，具有以下特點(diǎn):（1）對(duì)飛輪轉(zhuǎn)矩GD2有較大要求，轉(zhuǎn)子的直徑以及外形尺寸相對(duì)較大。（2）水電站一般離負(fù)荷中心較遠(yuǎn)，通常需要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的高壓線路才能順利的實(shí)現(xiàn)供電，因此，水輪發(fā)電機(jī)要保證動(dòng)態(tài)穩(wěn)定以及靜態(tài)穩(wěn)定必須有較好的技術(shù)保障。（3）水輪發(fā)電機(jī)盡管實(shí)現(xiàn)飛逸轉(zhuǎn)速的可能性不大，然而在設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)者必須保障轉(zhuǎn)動(dòng)部分的機(jī)械強(qiáng)度能夠?qū)崿F(xiàn)飛逸轉(zhuǎn)速時(shí)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)分析

2.1 對(duì)水輪發(fā)電機(jī)主要尺寸的確定

水輪發(fā)電機(jī)主要尺寸確定，需要考慮到三方面的內(nèi)容:（1）電磁設(shè)計(jì)要控制在合理的范圍，確保參數(shù)直軸瞬變電抗Xd符合標(biāo)準(zhǔn)。（2）轉(zhuǎn)子磁軛在標(biāo)準(zhǔn)的寬度以及允許應(yīng)力下，要滿足GD2要求。（3）運(yùn)輸要求、通風(fēng)冷卻能力以及總體結(jié)構(gòu)必須科學(xué)合理。研究發(fā)現(xiàn)利用發(fā)電和自身GD2的數(shù)值，可以實(shí)現(xiàn)基本的發(fā)電機(jī)尺寸估算，計(jì)算公式:

式中，系數(shù)k滿足以下標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。

表1 系數(shù)k的取值

對(duì)于飛逸轉(zhuǎn)速的設(shè)計(jì)，依據(jù)轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度，利用發(fā)生飛逸時(shí)轉(zhuǎn)子可以承受的最大周速對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子最大允許直徑進(jìn)行確定，其公式如下:

轉(zhuǎn)子磁軛允許選用最大周速值如表2所示。

表2 轉(zhuǎn)子磁軛允許選用最大周速值

為了達(dá)到實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中水輪發(fā)電機(jī)能夠擁有良好的通風(fēng)冷卻效果，必須保證鐵心長(zhǎng)度和極矩的比值不能過(guò)大，通常來(lái)說(shuō)，需要滿足以下要求:lt／τ≤4.5。滿足以上要求便可以確定水輪發(fā)電機(jī)的基本尺寸。

2.2 電負(fù)荷A的選擇

電負(fù)荷A作為水輪發(fā)電機(jī)主要的技術(shù)參數(shù)以及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，對(duì)于電機(jī)尺寸、電抗以及繞組溫度都有直接的影響。A的大小能夠直接影響定子內(nèi)圓的表面積產(chǎn)生的繞組銅損情況，進(jìn)而對(duì)溫升和效率提高進(jìn)行影響。A的取值要依照每極容量、電機(jī)絕緣等級(jí)以及絕緣方式進(jìn)行確定。冷卻技術(shù)的不斷發(fā)展，A的取值得到了大幅度的提高。

2.3 繞組型式的選擇

水輪發(fā)電機(jī)的定子繞組可以分為多匝圈式疊繞組和單匝條式波繞組。大中型水輪發(fā)電機(jī)的定子繞組通常為雙層圈式疊繞組，大型低速的水輪發(fā)電機(jī)一般選擇雙層條式波繞組。多匝圈式疊繞組:Ns＝4，6，8，10等；單匝條式波繞組:Ns＝2，其中Ns代表每槽有效導(dǎo)體數(shù)。圈式疊繞組能夠有效節(jié)省用銅量，焊接容易，便于進(jìn)行電負(fù)荷以及槽電流控制，然而其接線多，容易引發(fā)絕緣事故，換位不易。條式波繞組絕緣可靠，能夠有效降低環(huán)流損耗，便于檢修更換線圈，然而其電負(fù)荷和槽電流供應(yīng)不穩(wěn)定，焊接費(fèi)事，成本高。

2.4 定子槽數(shù)Z的選擇以及槽型設(shè)計(jì)

定子槽數(shù)的計(jì)算公式為:

水輪發(fā)電機(jī)使用開(kāi)口槽，槽高以及槽寬受到電路以及磁路影響。槽寬選擇應(yīng)當(dāng)盡可能地降低槽漏并最大限度不影響齒的利用率，槽形尺寸依據(jù)絕緣規(guī)范確定。

2.5 磁極鐵心各部分的尺寸選擇

表3 ?p與τ的關(guān)系

3 基于NSGA－Ⅱ算法的水輪發(fā)電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案以及實(shí)例

NSGA－Ⅱ算法的整體復(fù)雜性為0（mN2），運(yùn)算的支配排序情況部分決定運(yùn)算的復(fù)雜程度，因此該種運(yùn)算方法并不需要額外的共享參數(shù)。設(shè)計(jì)者只需要對(duì)當(dāng)前所存在的種群以及種群中所擁有的個(gè)體數(shù)目，依照級(jí)別的不同進(jìn)行分級(jí)一次存放，便能保證最佳的個(gè)體不會(huì)丟失，對(duì)于水輪電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)十分有益。

（1）水輪發(fā)電機(jī)空載特定優(yōu)化

利用大小選擇為100的種群，得到最后100的組解，可以得到空載特性設(shè)計(jì)變量以及目標(biāo)值的優(yōu)化，如表4、表5所示。

表4 空載特性設(shè)計(jì)變量對(duì)比表

表5 空載特性目標(biāo)值對(duì)照表

（2）通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)果

通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)變量對(duì)比和目標(biāo)值對(duì)比如表6、表7所示。

表6 通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)變量對(duì)比

表7 通風(fēng)散熱目標(biāo)值對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

在現(xiàn)代化建設(shè)不斷推進(jìn)的時(shí)代大環(huán)境下，廣大設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)全面了解水輪發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)，以此為基礎(chǔ)全面分解、研討水輪發(fā)電機(jī)的各個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，為水輪發(fā)電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。筆者利用NSGA－Ⅱ算法給出了水輪發(fā)電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并列舉案例，希望為廣大研究者提供有益的參考。

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