燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)電磁性能仿真研究

姜 運(yùn) 萬 元 潘平衡

（1、五凌電力有限公司，湖南 長沙 410082 2、湖南五凌電力科技有限公司，湖南 長沙 410082 3、湖南省水電智慧化工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410006）

隨著環(huán)境污染嚴(yán)重和不可再生資源稀缺問題的凸顯，清潔能源受到越來越廣泛的重視。水電是我國豐富的清潔能源，具有再生、無污染和運(yùn)行費(fèi)用低等特點(diǎn)。水力自然資源的充分有效利用，將有著良好的社會綜合效益。相比于火力發(fā)電，水力發(fā)電無污染和運(yùn)行成本低，具有不可動搖的發(fā)電地位。因此，水電事業(yè)的蓬勃發(fā)展將為人與自然的和諧發(fā)展起著重要的作用[1]。

在水力發(fā)電中，水輪發(fā)電機(jī)是水能-機(jī)械能-電能轉(zhuǎn)換的中樞，其性能好壞將直接影響到整個水力發(fā)電廠的運(yùn)行效率。水輪發(fā)電機(jī)是電磁能量轉(zhuǎn)化裝置，掌握其發(fā)電運(yùn)行時的電磁性能是發(fā)電機(jī)能夠良好運(yùn)行的關(guān)鍵[2]。因此，有必要對水輪發(fā)電機(jī)的基本電磁特性進(jìn)行詳細(xì)研究。本文將以水電廠18.5MW 燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)為研究對象，對其空載和負(fù)載性能進(jìn)行詳細(xì)研究，這為水輪發(fā)電機(jī)的發(fā)電運(yùn)行特性分析提供參考。

1 電機(jī)結(jié)構(gòu)

水輪發(fā)電機(jī)為電勵磁凸極同步電機(jī)，其二維截面圖如圖1所示。定轉(zhuǎn)子采用硅鋼片疊壓而成。轉(zhuǎn)子側(cè)有64 個凸極，每個凸極上纏繞一套勵磁繞組，形成32 對極。定子鐵芯上有432 個均勻分布的槽，槽里嵌放電樞繞組。定子電樞繞組采用波繞組形式，并聯(lián)支路數(shù)為1。水輪發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行轉(zhuǎn)速為93.75r/min，額定運(yùn)行頻率為50Hz。發(fā)電機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。

表1 水輪發(fā)電機(jī)主要參數(shù)

圖1 水輪發(fā)電機(jī)二維截面圖

2 空載電磁性能分析

2.1 有限元模型建立

水輪發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用有限元分析時網(wǎng)格數(shù)較多，分析比較耗時。為了節(jié)約分析時間，在電磁分析時采用其單元電機(jī)形式，這樣可以減小網(wǎng)格數(shù)，縮短分析時間。水輪發(fā)電機(jī)定子槽數(shù)為432，極對數(shù)為32，其單元電機(jī)中包含的定子槽數(shù)和極對數(shù)為[3]：

式子中Zu和pu分別為單元電機(jī)定子槽數(shù)和極對數(shù)。

從（1）可知，水輪發(fā)電機(jī)包含16 個單元電機(jī)。此外，單元電機(jī)的定子槽數(shù)和極對數(shù)分別為27 和2。本文建立了單元電機(jī)的限元分析模型，如圖2 所示。電樞繞組采用線棒形式，定子為開口槽，便于繞組下線。轉(zhuǎn)子鐵芯上纏繞有勵磁繞組，磁極上安裝有阻尼條，便于電機(jī)的動態(tài)運(yùn)行。

圖2 單元電機(jī)模型

2.2 空載磁密與反電勢

在勵磁繞組中通入額定勵磁電流560A，相鄰磁極對應(yīng)的勵磁線圈電流方向相反，得到的磁力線分布如圖2（a）所示，相鄰磁極極性相反。電機(jī)空載磁密分布如圖2（b）所示。由于阻尼繞組開孔的原因，電機(jī)磁密最飽和部分在磁極頂部，接近2.3T。圖3 給出了一對極下的氣隙磁密分布。由于磁極下面為均勻氣隙，導(dǎo)致氣隙磁密波形接近梯形波。由于定子齒槽的原因，在氣隙磁密波形中含有較大的齒諧波含量。

圖3 氣隙磁密分布

當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速93.75r/min 運(yùn)行時，產(chǎn)生的三相反電勢如圖4 所示。可以看出，產(chǎn)生的反電勢周期為20ms，對應(yīng)的反電勢為50Hz。由于采用了分?jǐn)?shù)槽分布繞組形式，反電勢波形接近于正弦波。將相反電勢通過傅里葉分解，得到的各次諧波含量如圖5 所示。除了基波含量外，反電勢中主要含有3 次諧波。電機(jī)繞組采用Y 形解法，3 次諧波會相互抵消。

圖4 空載反電勢波形

圖5 空載反電勢諧波分解

電勵磁同步發(fā)電機(jī)有著勵磁可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)。圖6 給出了不同勵磁電流下的反電勢幅值。隨著勵磁電流的增加，相反電勢幅值逐漸增大。當(dāng)勵磁電流大于300A 時，由于鐵芯飽和的影響相反電勢幅值變化逐漸變化。

圖6 不同勵磁電流下反電勢幅值

2.3 電感計算

隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，由于氣隙磁導(dǎo)的變化，電機(jī)電感將隨之發(fā)生變化。圖7 給出了電樞繞組自感和互感隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)變化的波形。電感變化頻率為電機(jī)電頻率的2 倍。通過Park 變化，得到的電機(jī)D、Q 軸電感分別為11.9mH 和8.8mH[4]。

圖7 電樞繞組自感和互感波形

3 負(fù)載性能分析

3.1 電壓和電流

電機(jī)額定功率為18.5MW，額定電壓為1050V，功率因素為0.9，得到的等效負(fù)載電阻和電感分別為4.8Ω 和7.4mH。通過Ansys 軟件搭建了水輪發(fā)電機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行時的仿真電路。圖8給出了帶額定負(fù)載時的線電壓，電壓幅值為13.9kV，頻率為50Hz。圖9 給出了相電阻電流，幅值為1482A。

圖8 負(fù)載線電壓

圖9 負(fù)載相電流

隨著負(fù)載的變化，由于電樞反應(yīng)的影響，電機(jī)端部電壓將發(fā)生變化。圖10 給出了電機(jī)在不同負(fù)載下的線電壓幅值變化曲線。隨著負(fù)載的增加，電機(jī)端部電壓逐漸降低。

圖10 負(fù)載特性曲線

3.2 損耗分布

電機(jī)在額定運(yùn)行時，通過分析得到的定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗、定子鐵耗分別為152.9kW、144.5kW 和87.9kW。可以看出，電機(jī)在額定運(yùn)行時，電機(jī)的損耗主要集中在繞組銅耗上。

4 結(jié)論

本文基于有限元仿真方法建立了18.5MW 燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)單元電機(jī)模型，對其空載和負(fù)載電磁性能進(jìn)行了詳細(xì)的分析，相關(guān)研究對水輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行性能分析提供了參考。