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        水輪發(fā)電機(jī)組無刷勵(lì)磁機(jī)的研發(fā)

        2013-08-10 12:46:50周鳳武龍欣苗吳小波
        關(guān)鍵詞:發(fā)電機(jī)有限元交流

        周鳳武,龍欣苗,吳小波

        (中國長江動(dòng)力集團(tuán)有限公司,湖北 武漢430068)

        無刷勵(lì)磁系統(tǒng)沒有碳刷,因而沒有碳刷磨損造成的粉塵污染;無滑動(dòng)接觸部分,所以維護(hù)簡單,可靠性高;沒有旋轉(zhuǎn)接觸的導(dǎo)電部分,不會(huì)產(chǎn)生火花,因此也特別適用于有易燃?xì)怏w及多粉塵等惡劣環(huán)境條件下的運(yùn)行場合.近年來,中國長江動(dòng)力集團(tuán)有限公司為滿足國內(nèi)外市場的需求,成功開發(fā)了水輪發(fā)電機(jī)組無刷勵(lì)磁機(jī)產(chǎn)品,并用于多個(gè)美國水電站中.

        1 無刷勵(lì)磁機(jī)原理

        無刷勵(lì)磁機(jī)是利用二極管的單向?qū)щ娦阅埽瑢⑷嘟涣靼l(fā)電機(jī)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(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組進(jìn)行勵(lì)磁.由于無刷勵(lì)磁機(jī)的電樞繞組和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組直接連接同軸旋轉(zhuǎn),無碳刷滑動(dòng)接觸,故稱無刷勵(lì)磁[1].無刷勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)原理如圖1所示.

        圖1 無刷勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)原理示意圖

        2 技術(shù)參數(shù)

        無刷勵(lì)磁機(jī)是一個(gè)旋轉(zhuǎn)電樞式交流同步發(fā)電機(jī),有其自身的工作特點(diǎn),所帶負(fù)載也有其特殊性.因此在電磁設(shè)計(jì)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(jù)水輪發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁數(shù)據(jù)Ufo、Ifo、Ud、Id等,由計(jì)算公式[2]

        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(lì)磁機(jī)電樞繞組的負(fù)載是一個(gè)經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器供電的大電感(主發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組),加之電樞繞組內(nèi)電抗的存在,使旋轉(zhuǎn)整流器換相時(shí),電流不能突變,產(chǎn)生了換相角,交流勵(lì)磁機(jī)的輸出相電壓、相電流波形發(fā)生了畸變,這就使無刷交流勵(lì)磁機(jī)的設(shè)計(jì)與一般交流發(fā)電機(jī)有所不同[3].一般取換向角γ為30°~40°,換向角計(jì)算公式為

        為保證換相重疊角γ在30°~40°范圍內(nèi),要求換相電抗Xc≈0.2.

        2.3 勵(lì)磁時(shí)間常數(shù)和電壓增長速度

        無刷勵(lì)磁機(jī)是勵(lì)磁系統(tǒng)的一部分,對(duì)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(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組的時(shí)間常數(shù)電壓增長速度

        2.4 強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)

        為滿足水輪發(fā)電機(jī)的最大強(qiáng)勵(lì)要求,交流勵(lì)磁機(jī)的額定工作點(diǎn)取在空載特性曲線的線性部分(圖2中N 點(diǎn)),即交流勵(lì)磁機(jī)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(diǎn)以下[5].

        圖2 空載特性曲線

        3 無刷勵(lì)磁機(jī)結(jié)構(gòu)

        無刷勵(lì)磁機(jī)是一個(gè)旋轉(zhuǎn)電樞式結(jié)構(gòu),勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子為電樞,定子為磁極,與所配的水輪發(fā)電機(jī)同軸旋轉(zhuǎn).圖3為水輪發(fā)電機(jī)組總體布置示意圖.

        圖3 水輪發(fā)電機(jī)組總體布置示意圖

        3.1 電樞結(jié)構(gòu)

        無刷勵(lì)磁機(jī)的旋轉(zhuǎn)電樞以三相交流電供給同軸旋轉(zhuǎn)的二極管整流裝置,經(jīng)過二極管整流裝置整流后供給水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子進(jìn)行勵(lì)磁.電樞繞組采用雙層波繞組,用3240制成的槽楔固定在槽內(nèi);電樞沖片用優(yōu)質(zhì)硅鋼片沖制而成,直接迭壓在勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)軸上,兩端用壓圈壓緊.為便于散熱鐵心段設(shè)計(jì)有徑向通風(fēng)溝.三相交流電通過引線送入旋轉(zhuǎn)整流裝置,無刷勵(lì)磁機(jī)電樞與水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為彈性聯(lián)接,圖4為無刷勵(lì)磁機(jī)電樞示意圖.

        圖4 無刷勵(lì)磁機(jī)電樞示意圖

        3.2 定子結(jié)構(gòu)

        定子磁極為凸極式結(jié)構(gòu),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(jī)殼上.

        3.3 旋轉(zhuǎn)整流環(huán)

        旋轉(zhuǎn)整流環(huán)是交流無刷勵(lì)磁機(jī)的重要部分,在一定程度上決定交流無刷勵(lì)磁機(jī)的可靠性,因此旋轉(zhuǎn)整流環(huán)上各部件的合理選用至關(guān)重要.本機(jī)組旋轉(zhuǎn)整流采用三相橋式全波整流電路,整流元件采用的旋轉(zhuǎn)二極管都經(jīng)過嚴(yán)格挑選,能夠耐受強(qiáng)大的離心力和機(jī)械振動(dòng).

        4 勵(lì)磁機(jī)計(jì)算

        4.1 基本技術(shù)參數(shù)

        通過對(duì) TFL-22.6-16型無刷勵(lì)磁機(jī)計(jì)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(zhuǎn)速,257.1r/min;功率因數(shù),0.906;相數(shù),3;接法,Y;絕緣等級(jí)/溫升等級(jí);F/B;換向角γ,37.3°;時(shí)間常數(shù)T′d0,0.75s;氣隙磁密Bδ,0.43T;強(qiáng)勵(lì)倍數(shù),>1.6.

        4.2 有限元分析

        采用全周期邊界條件計(jì)算勵(lì)磁機(jī)磁場[6],利用傳統(tǒng)電磁計(jì)算擬定的定、轉(zhuǎn)子沖片的規(guī)格,線圈參數(shù)和氣隙等數(shù)據(jù)來建立交流勵(lì)磁機(jī)二維實(shí)體模型,利用有限元分析方法對(duì)電磁方案進(jìn)行驗(yàn)算,其二維模型如圖5所示.經(jīng)加載計(jì)算,得到其空載狀態(tài)下磁力線的分布和磁通分布云圖(圖6,圖7).

        選取空載勵(lì)磁電流If0作為循環(huán)變量,每次循環(huán)求出Az,可得到每個(gè)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(lì)磁機(jī)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(lián)的總匝數(shù);KN1為繞組系數(shù);f為勵(lì)磁機(jī)的運(yùn)行頻率;Le為電樞鐵芯的有效長度.

        將每次循環(huán)所得到的E0與相對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電流If0連成曲線即得到有限元計(jì)算的空載特性曲線,并以之與電磁方案曲線進(jìn)行對(duì)比(圖8),可見原有電磁計(jì)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(duì)比

        5 結(jié)束語

        目前,該無刷勵(lì)磁機(jī)的水輪發(fā)電機(jī)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(yùn)行,機(jī)組各項(xiàng)性能指標(biāo)良好.

        [1]上海電器科學(xué)研究所.中小型電機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1995.

        [2]湘潭電機(jī)廠.交流電機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].湖南:湖南人民出版社,1978.

        [3]胡滇建,程建全,王 恒.無刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)可靠性設(shè)計(jì)研究[J].防爆電機(jī),2004(2):22-24.

        [4]李基成.現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].北京:中國電力出版社,2002.

        [5]何友觀.現(xiàn)代中小型同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1988.

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

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