水轮发电机组无刷励磁机的研发

周凤武，龙欣苗，吴小波

（中国长江动力集团有限公司，湖北 武汉430068）

无刷励磁系统没有碳刷，因而没有碳刷磨损造成的粉尘污染；无滑动接触部分，所以维护简单，可靠性高；没有旋转接触的导电部分，不会产生火花，因此也特别适用于有易燃气体及多粉尘等恶劣环境条件下的运行场合.近年来，中国长江动力集团有限公司为满足国内外市场的需求，成功开发了水轮发电机组无刷励磁机产品，并用于多个美国水电站中.

1 无刷励磁机原理

无刷励磁机是利用二极管的单向导电性能，将三相交流发电机的电枢电流通过三相桥式整流，将交流电流变换成直流电流，直接送给发电机转子励磁绕组进行励磁.由于无刷励磁机的电枢绕组和发电机转子励磁绕组直接连接同轴旋转，无碳刷滑动接触，故称无刷励磁［1］.无刷励磁机系统原理如图1所示.

图1 无刷励磁机系统原理示意图

2 技术参数

无刷励磁机是一个旋转电枢式交流同步发电机，有其自身的工作特点，所带负载也有其特殊性.因此在电磁设计上，需要满足许多特殊要求.

2.1 额定功率、额定电流和视在功率

根据水轮发电机的励磁数据Ufo、Ifo、Ud、Id等，由计算公式［2］

和

得：额定电压Un＝K1U1（K1为电压裕度）；额定电流In＝K2I1（K2为电流裕度）；视在功率Ps＝m UnIn.

2.2 换向角取值

由于交流励磁机电枢绕组的负载是一个经旋转整流器供电的大电感（主发电机的励磁绕组），加之电枢绕组内电抗的存在，使旋转整流器换相时，电流不能突变，产生了换相角，交流励磁机的输出相电压、相电流波形发生了畸变，这就使无刷交流励磁机的设计与一般交流发电机有所不同［3］.一般取换向角γ为30°～40°，换向角计算公式为

为保证换相重叠角γ在30°～40°范围内，要求换相电抗Xc≈0.2.

2.3 励磁时间常数和电压增长速度

无刷励磁机是励磁系统的一部分，对电压增长速度有较高要求.为提高电压增长速度，须减小交流励磁机励磁绕组的时间常数电压增长速度

2.4 强励倍数

为满足水轮发电机的最大强励要求，交流励磁机的额定工作点取在空载特性曲线的线性部分（图2中N 点），即交流励磁机的气隙磁通密度Bδ取值在0.4T左右，并控制电枢齿部磁通密度在所用硅钢片材料磁化特性的饱和点以下［5］.

图2 空载特性曲线

3 无刷励磁机结构

无刷励磁机是一个旋转电枢式结构，励磁机转子为电枢，定子为磁极，与所配的水轮发电机同轴旋转.图3为水轮发电机组总体布置示意图.

图3 水轮发电机组总体布置示意图

3.1 电枢结构

无刷励磁机的旋转电枢以三相交流电供给同轴旋转的二极管整流装置，经过二极管整流装置整流后供给水轮发电机的转子进行励磁.电枢绕组采用双层波绕组，用3240制成的槽楔固定在槽内；电枢冲片用优质硅钢片冲制而成，直接迭压在励磁机转轴上，两端用压圈压紧.为便于散热铁心段设计有径向通风沟.三相交流电通过引线送入旋转整流装置，无刷励磁机电枢与水轮发电机转子为弹性联接，图4为无刷励磁机电枢示意图.

图4 无刷励磁机电枢示意图

3.2 定子结构

定子磁极为凸极式结构，磁极线圈用聚脂漆包线绕制而成，主磁极采用薄钢板冲制的冲片迭压而成，主磁极利用螺栓固定在机壳上.

3.3 旋转整流环

旋转整流环是交流无刷励磁机的重要部分，在一定程度上决定交流无刷励磁机的可靠性，因此旋转整流环上各部件的合理选用至关重要.本机组旋转整流采用三相桥式全波整流电路，整流元件采用的旋转二极管都经过严格挑选，能够耐受强大的离心力和机械振动.

4 励磁机计算

4.1 基本技术参数

通过对 TFL－22.6－16型无刷励磁机计算分析得：额定功率，22.6kVA／20.4kW；额定电压，82 V；额定电流，159A；额定转速，257.1r／min；功率因数，0.906；相数，3；接法，Y；绝缘等级／温升等级；F／B；换向角γ，37.3°；时间常数T′d0，0.75s；气隙磁密Bδ，0.43T；强励倍数，＞1.6.

4.2 有限元分析

采用全周期边界条件计算励磁机磁场［6］，利用传统电磁计算拟定的定、转子冲片的规格，线圈参数和气隙等数据来建立交流励磁机二维实体模型，利用有限元分析方法对电磁方案进行验算，其二维模型如图5所示.经加载计算，得到其空载状态下磁力线的分布和磁通分布云图（图6，图7）.

选取空载励磁电流If0作为循环变量，每次循环求出Az，可得到每个极上的磁通量0，则相电压有效值E0＝4.44 NKn1f0，由于求出的是单位长度下的每极磁通量，还需乘以本励磁机电枢铁芯的有效长度Le，即相电压有效值为E0＝4.44 NKn1f0Le.其中：N为每相绕组每条支路串联的总匝数；KN1为绕组系数；f为励磁机的运行频率；Le为电枢铁芯的有效长度.

将每次循环所得到的E0与相对应的励磁电流If0连成曲线即得到有限元计算的空载特性曲线，并以之与电磁方案曲线进行对比（图8），可见原有电磁计算与有限元得到的空载特性曲线基本吻合.

图8 空载特性曲线与电磁方案曲线对比

5 结束语

目前，该无刷励磁机的水轮发电机组已在美国Midway电站、Albany电站、Lower Turubull电站、Upper Turubull电站和S－cannal电站成功投入运行，机组各项性能指标良好.

［1］上海电器科学研究所.中小型电机设计手册［M］.北京：机械工业出版社，1995.

［2］湘潭电机厂.交流电机设计手册［M］.湖南：湖南人民出版社，1978.

［3］胡滇建，程建全，王 恒.无刷励磁发电机可靠性设计研究［J］.防爆电机，2004（2）：22－24.

［4］李基成.现代同步发电机励磁系统设计及应用［M］.北京：中国电力出版社，2002.

［5］何友观.现代中小型同步发电机励磁系统的分析与设计［M］.北京：机械工业出版社，1988.

［6］黄劭刚，夏永洪，张景明.基于ANSYS软件的电机电磁场有限元分析［J］.微特电机，2004，（5）：12－14.