配核電百萬千瓦級發電機5800kW無刷勵磁機研制

史德利，王庭山，胡建波

（上海電氣電站設備有限公司發電機廠，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。無刷勵磁在國外發電機組上廣泛使用，尤其是大容量核電機組，都采用無刷勵磁技術。上海發電機廠制造無刷勵磁機有悠久的歷史，目前各容量發電機均配套有無刷勵磁機產品，現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構特點幾乎無須維護，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參數

5800kW無刷勵磁系統的主要技術參數見表1。

2 5800kW無刷勵磁機的設計

2.1 設計原則

（1）性能參數滿足IEC-60034、國家標準和用戶的要求。

（2）吸取國外的先進經驗，同時結合國內制造經驗進行自主開發設計。

表1 5800kW無刷勵磁系統主要參數

（3）將可靠性放在首位，在滿足產品性能和結構要求的前提下，盡量采用成熟可靠的結構及國產化材料，以提高綜合經濟指標。

（4）充分考慮了產品系列化、標準化和通用性。

（5）采用成熟電磁計算程序和可靠計算分析軟件。

2.2 電磁設計

2.2.1 降低損耗，減少發熱，提高效率

（1）優化磁路，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、高導磁率、低損耗的硅鋼片，嚴格控制沖片涂層，提高疊裝系數，以降低損耗。

（3）定子磁極采用高導磁、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，減小發熱及電動力。

2.2.2 提高強勵倍數

（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倍強勵倍數和高起始響應的需求。

2.2.3 優化通風結構

（1）采用風扇驅動、主勵和整流盤單獨風路的通風冷卻結構，合理分配了風量，提高冷卻效率。

（2）通過優化外罩結構設計實現整個風路設計需求。

（3）轉子電樞鐵心通風槽片采用獨特的風道片結構，有利于轉子電樞繞組通風冷卻；電樞端部壓圈上設有徑向通風孔，對端部線圈具有冷卻作用。

2.3 機械設計

針對核電半速機直徑大的特點，設計時關鍵旋轉部件嚴格選材、核算強度，以提高產品的運行可靠性。

（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）優化主勵磁機與永磁機連接的轉子結構設計，滿足軸系計算需要。

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

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

2.4 結構設計

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。

整流盤為單盤結構，永磁發電機為外轉子結構，通過支撐環與勵磁機軸相連。

整流裝置電路是每相每橋臂由 16個二極管并聯連接的三相橋式整流電路，每個整流組件有兩個并聯的二極管。轉子實物圖如圖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匯合后借助于在軸上安裝的風扇，一路通往整流盤，再借助于整流盤的自身鼓風作用冷卻整流盤；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冷卻電樞和整流盤，提高了機組運行可靠性。勵磁機冷卻風路圖如圖2所示。

圖2 勵磁機冷卻風路圖

該勵磁機設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部結露。

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。永磁副勵磁機產生三相交流電，通過自動電壓調節器（AVR）整流和控制提供一可變的直流電流給主勵磁機勵磁。在主勵磁機轉子感應的三相交流電經過旋轉整流橋整流后，通過轉軸內的直流引線提供給發電機轉子繞組。

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量。

圖3 5800kW無刷勵磁機系統示意圖

（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 轉子電樞結構特點

（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軸上，保證鐵心軸向良好的收緊力。

（3）電樞采用旋轉澆浸，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，形成絕緣性能良好且機械性能可靠的端部“護環”。

2.4.3 旋轉整流裝置

（1）旋轉整流裝置為單盤結構，三相六橋臂全波整流，每橋臂有16個并聯支路，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冷卻設計，整流盤側面開有通風口，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。

（5）每個交流引線單獨連接一個整流組件，從結構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無刷勵磁機的關鍵工藝

（1）電樞鐵心采用冷熱壓技術，有效防止鐵心松動。

（2）電樞采用整體澆浸、旋轉烘焙技術，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，將轉軸冷卻、電樞鐵心加熱、轉軸吊起穿入電樞鐵心的熱套方式，提高了熱套的可靠性。

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

（5）采用特定工藝組裝整流盤及元件，確保在高速旋轉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，通過采用分塊設計，控制澆注、熱處理工藝參數，采用線切割加工方法，保證了磁鋼制造質量。

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

4 5800kW無刷勵磁機試驗結果

5800kW 無刷勵磁機與西門子同等容量無刷勵磁機試驗結果比較，見表2。

表2 5800kW無刷勵磁機試驗結果比較

從型式試驗結果表明：

該勵磁機各項性能指標優良，具有出力裕度大，溫升低、軸系動力特性優良等特點。

永磁機輸出電壓調整特性優良，能有效提高勵磁機響應速度，滿足勵磁機強勵要求。

5 與當前國內外同類研究、技術的綜合比較

與當前國內外同類研究、同類技術的無刷勵磁機相比，5800kW無刷勵磁機具有以下創新點：

（1）高參數、高強勵倍數、大容量。

（2）采用新技術、新材料和新工藝，較以前國內生產制造的勵磁機有很大改進。

采用先進的無緯帶綁扎技術，能更好地控制產品質量；整流組件裝配、電樞整浸、電樞熱套和永磁機充磁等關鍵技術在國內外同類技術中居于領先。

（3）應用了先進的交軸線圈測量技術，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，使外轉子優勢得到充分發揮；采用了自主研制的充磁技術，使永磁機電壓調整特性得到大大提高。

（6）優化通風結構，采用高效穿片冷卻器，使勵磁機通風冷卻得到了加強。

6 應用情況

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 結論

綜上所述，5800kW無刷勵磁機已成功完成設計制造，各項性能指標優異，技術成熟可靠，可以滿足匹配1100MW級核電發電機無刷勵磁的需求。

5800kW 無刷勵磁機設計制造在國內居于領先水平，在國際上達到先進水平。該型無刷勵磁機研制成功，不僅填補了國內該領域國產無刷勵磁機的空白，而且為我國發展配核電更大等級發電機的無刷勵磁機研制打下堅實基礎。

[1] 汪耕, 李希明.大型汽輪發電機設計、制造與運行[M].上海: 上海科學技術出版社, 2000.

[2] 湯蘊璆.電機學--機電能量轉換[M].北京: 機械工業出版社, 1981.