裘迪林，王宗云，陳芬球

(杭州杭發(fā)發(fā)電設(shè)備有限公司，浙江 杭州 311201)

0 引 言

目前，發(fā)電機選用的勵磁方式主要有靜止可控硅勵磁和無刷勵磁兩種典型的方式。靜止可控硅勵磁方式，發(fā)電機和勵磁系統(tǒng)為兩套獨立系統(tǒng)，勵磁系統(tǒng)響應(yīng)速度快，在水電產(chǎn)品中使用較為普遍；但靜止可控硅勵磁方式發(fā)電機勵磁電流用電刷和集電環(huán)引入，存在集電環(huán)火花和碳粉污染問題。另一方面，因勵磁電流由勵磁系統(tǒng)提供，電站需配置勵磁變和勵磁柜，勵磁系統(tǒng)建設(shè)較復(fù)雜且成本高。無刷勵磁方式，發(fā)電機勵磁電流由勵磁機提供，徹底解決了集電環(huán)火花和碳粉污染問題；但勵磁機定子電源由發(fā)電機機端勵磁變壓器提供，勵磁電壓為廠用交流電，電壓受電網(wǎng)波動影響較大。

浙江省磐安縣下坑水電站增容改造時，業(yè)主要求機組帶副繞組無刷勵磁水輪發(fā)電機系統(tǒng)，電站不配置勵磁變壓器等設(shè)備，要求增容改造電站建設(shè)成本低、勵磁系統(tǒng)簡單、運行維護方便、自動化程度高。因此，針對業(yè)主要求進行了相關(guān)研究。

1 可行性分析

常規(guī)的無刷勵磁機定子勵磁方式采用變壓器降壓后經(jīng)三相橋式整流，接入AVR電壓調(diào)節(jié)器，供給無刷勵磁機定子勵磁。

從電磁感應(yīng)原理上分析，帶副繞組無刷勵磁水輪發(fā)電機系統(tǒng)技術(shù)是可行的。在定子槽中設(shè)置副繞組，副繞組感應(yīng)輸出三相交流電勢，經(jīng)AVR可控硅整流，輸送到無刷勵磁機定子作為勵磁機的直流電源。勵磁機轉(zhuǎn)子電樞感應(yīng)三相對稱電勢傳輸?shù)饺嗾鳂蛏?，?jīng)旋轉(zhuǎn)整流盤整流，將交流電勢變成直流電勢供給發(fā)電機磁極勵磁繞組勵磁，發(fā)電機定子繞組感應(yīng)出三相對稱電勢(見圖1、圖2)。

圖1 勵磁電氣原理圖

2 技術(shù)研發(fā)

2.1 總體結(jié)構(gòu)布置

發(fā)電機結(jié)構(gòu)布置采用臥式、三支點布置結(jié)構(gòu)，通風(fēng)方式采用管道通風(fēng)方式，軸承冷卻采用油冷卻器自循環(huán)冷卻方式。無刷勵磁機設(shè)置在發(fā)電機非驅(qū)動端的最右側(cè)，飛輪設(shè)置在徑向軸承與無刷勵磁機中間，定子、軸承、飛輪、無刷勵磁機置于底板上。無刷勵磁機轉(zhuǎn)子與發(fā)電機轉(zhuǎn)子的連接采用彈性圓盤加半聯(lián)軸器的連接方式?？傮w結(jié)構(gòu)布置具有有效縮短機組軸向長度、提高機組穩(wěn)定性的特點(見圖3)。

圖2 AVR調(diào)節(jié)器接線圖

1-徑向推力軸承；2-定子；3-轉(zhuǎn)子；4-副繞組引出接線盒；5-徑向軸承；6-飛輪；7-無刷勵磁機；8-底板；9-定子繞組出線；10-通風(fēng)管

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

發(fā)電機電磁設(shè)計方案時，重點關(guān)注額定勵磁電流和額定勵磁電壓，關(guān)系到無刷勵磁機的選型和成本，計算值需準(zhǔn)確。

無刷勵磁機提供發(fā)電機轉(zhuǎn)子勵磁電源，其電磁設(shè)計方案要合理，在特殊工況時有強勵要求，要注意氣隙磁場的飽和度取值。無刷勵磁機極數(shù)選擇影響振動和噪音，同時勵磁機極數(shù)與主機極數(shù)有關(guān)聯(lián)，選取不當(dāng)同樣會造成振動和噪音問題。無刷勵磁機拖動的是一個感性負載，因此無刷勵磁機自身的短路比和阻抗值要適當(dāng)，匹配不當(dāng)會造成響應(yīng)速度遲緩。

考慮國內(nèi)無刷勵磁機制造廠家已非常多，技術(shù)也較成熟，本項目采用外購技術(shù)水平好、質(zhì)量穩(wěn)定的無刷勵磁機廠家配套。經(jīng)電磁設(shè)計方案計算和分析，水輪發(fā)電機和無刷勵磁機電磁設(shè)計主要技術(shù)參數(shù)如下所示(見表1)。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

2.3 副繞組設(shè)計

發(fā)電機定子電壓為6 300 V，在高電壓定子中設(shè)置副繞組，是筆者所在公司首次應(yīng)用該技術(shù)，突破的技術(shù)難點如下：

2.3.1 匝數(shù)計算

副繞組所處槽中位置與定子繞組不同，磁密也將不同，分布系數(shù)和短距系數(shù)與正常定子繞組有差異；所以，副繞組匝數(shù)對輸出電壓影響很大。副繞組匝數(shù)詳細計算見公式(1)。

(1)AVR對副繞組的要求。

①接法：Y型。

② 線電壓范圍為200～260 V，取220 V，計算其相電壓為127 V。

(2)副繞組每相串聯(lián)匝數(shù)計算。

3.618

(1)

式中，Kφ為磁場波形系數(shù)，取0.968 7；Uφ為副繞組相電壓，取127 V；f為額定頻率，取50 Hz；φ為空載額定電壓時的每極磁通，取16.06×106Mx；Kw為副繞組的繞組系數(shù)，取0.953 85。

(3)取W付=4，再次核算線電壓為243 V，滿足AVR對副繞組線電壓范圍要求。

2.3.2 副繞組布置

根據(jù)計算，副繞組每相匝數(shù)為4，則每相每極匝數(shù)為0.5，節(jié)距為1～15，每相各設(shè)置1組備用繞組。

發(fā)電機電壓為6 300 V，為避免副繞組引出線跨越定子繞組的端部，把副繞組嵌在定子槽的槽底部位置(見圖4)。

副繞組線圈跨距較大，其端部剛度較弱，兩端部位置各設(shè)置1個端箍，用適形材料和滌綸繩將副繞組綁扎在端箍上，端箍固定在支架上(見圖4(a))。

(a)副繞組安裝圖

2.3.3 線規(guī)參數(shù)

采用9根漆包圓銅線并繞，漆包圓銅線規(guī)格為φ1.3(φ1.38)，材料為耐電暈漆包圓銅線QNY-2/200。

2.3.4 副繞組絕緣結(jié)構(gòu)

副繞組槽底直線部分絕緣結(jié)構(gòu)：用環(huán)氧玻璃布板3240上下夾住漆包線，使其平鋪，然后半疊包2層環(huán)氧粉云母帶，最后半疊包1層玻璃絲帶，包好后壓平；寬度方向接近槽寬，放入發(fā)電機定子槽的槽底(見圖5(a))。

副繞組端部及槽外直線部分絕緣結(jié)構(gòu)：將圓銅線排列整齊，半疊包3層環(huán)氧粉云母帶，最后半疊包1層玻璃絲帶(見圖5(b))。

(a)副繞組槽底直線部分絕緣結(jié)構(gòu)

2.3.5 副繞組引出線布置

定子繞組引出線設(shè)置在機座下側(cè)，從安全可靠出發(fā)，副繞組引出線盡可能遠離定子繞組引出線，并單獨設(shè)置1個獨立的接線盒；接線盒含2套接線端子，其中1套接線端子用于備用副繞組接線。副繞組引出接線盒位置見圖3中所示。

3 工廠試驗

將發(fā)電機、AVR、無刷勵磁機按圖1電氣原理圖接線，進行空載試驗；觀察發(fā)電機定子繞組、副繞組建壓情況，并測量定子繞組、副繞組電壓數(shù)據(jù)；測量空載試驗時無刷勵磁機的電壓、電流數(shù)據(jù)。

3.1 測量副繞組輸出電壓

將發(fā)電機轉(zhuǎn)子與無刷勵磁機轉(zhuǎn)子聯(lián)軸并接線，此時AVR先不接入，用直流電源給無刷勵磁機定子供電，電動機拖動發(fā)電機至額定轉(zhuǎn)速，測量副繞組輸出線電壓值(見表2)。從測量結(jié)果可看出，副繞組感應(yīng)出的線電壓滿足要求(AVR對副繞組的要求：線電壓范圍為220～260 V)。

3.2 空載試驗

發(fā)電機副繞組接入AVR，AVR與無刷勵磁機定子繞組連接，發(fā)電機轉(zhuǎn)子與無刷勵磁機轉(zhuǎn)子聯(lián)軸并接線，電動機拖動發(fā)電機至額定轉(zhuǎn)速；觀察發(fā)電機定子繞組、副繞組建壓情況。用示波器監(jiān)測電壓交流信號的波形，并測量發(fā)電機定子電壓、無刷勵磁機電壓、電流值(見表3)。

表2 副繞組輸出線電壓值

表3 空載試驗數(shù)據(jù)

試驗結(jié)論：空載試驗測量的各數(shù)據(jù)顯示發(fā)電機空載試驗建壓正常，示波器顯示發(fā)電機定子繞組和副繞組兩組電壓交流信號的周期完全一致。

4 電站應(yīng)用情況

下坑水電站共2臺機組，于2018年8月安裝完畢，2018年11月成功并網(wǎng)發(fā)電。運行至今，機組在振動、噪聲、溫度等性能指標(biāo)上均達到國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)協(xié)議要求，運行穩(wěn)定可靠。電站建設(shè)勵磁系統(tǒng)簡單、成本低、運行維護方便、自動化程度高，得到了客戶高度的贊譽。

5 結(jié) 語

無刷勵磁水輪發(fā)電機因發(fā)電機無集電裝置和碳刷部件，運行時發(fā)電機無碳刷接觸火花和碳粉污染。發(fā)電機定子設(shè)置副繞組，專為無刷勵磁機定子提供勵磁電源，電源獨立且不受電力系統(tǒng)電壓波動影響。電站不需要配置勵磁變壓器等設(shè)備，勵磁系統(tǒng)簡單、建設(shè)成本低。

通過該項目的實施，掌握了帶副繞組無刷勵磁水輪發(fā)電機系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)技術(shù)。通過工廠試驗和實際電站示范應(yīng)用，驗證了該技術(shù)的穩(wěn)定可靠、性能優(yōu)越，電站建設(shè)成本低、運行維護方便，具有推廣應(yīng)用價值。