带副绕组无刷励磁水轮发电机系统的研发与应用

裘迪林，王宗云，陈芬球

(杭州杭发发电设备有限公司，浙江 杭州 311201)

0 引 言

目前，发电机选用的励磁方式主要有静止可控硅励磁和无刷励磁两种典型的方式。静止可控硅励磁方式，发电机和励磁系统为两套独立系统，励磁系统响应速度快，在水电产品中使用较为普遍；但静止可控硅励磁方式发电机励磁电流用电刷和集电环引入，存在集电环火花和碳粉污染问题。另一方面，因励磁电流由励磁系统提供，电站需配置励磁变和励磁柜，励磁系统建设较复杂且成本高。无刷励磁方式，发电机励磁电流由励磁机提供，彻底解决了集电环火花和碳粉污染问题；但励磁机定子电源由发电机机端励磁变压器提供，励磁电压为厂用交流电，电压受电网波动影响较大。

浙江省磐安县下坑水电站增容改造时，业主要求机组带副绕组无刷励磁水轮发电机系统，电站不配置励磁变压器等设备，要求增容改造电站建设成本低、励磁系统简单、运行维护方便、自动化程度高。因此，针对业主要求进行了相关研究。

1 可行性分析

常规的无刷励磁机定子励磁方式采用变压器降压后经三相桥式整流，接入AVR电压调节器，供给无刷励磁机定子励磁。

从电磁感应原理上分析，带副绕组无刷励磁水轮发电机系统技术是可行的。在定子槽中设置副绕组，副绕组感应输出三相交流电势，经AVR可控硅整流，输送到无刷励磁机定子作为励磁机的直流电源。励磁机转子电枢感应三相对称电势传输到三相整流桥上，经旋转整流盘整流，将交流电势变成直流电势供给发电机磁极励磁绕组励磁，发电机定子绕组感应出三相对称电势(见图1、图2)。

图1 励磁电气原理图

2 技术研发

2.1 总体结构布置

发电机结构布置采用卧式、三支点布置结构，通风方式采用管道通风方式，轴承冷却采用油冷却器自循环冷却方式。无刷励磁机设置在发电机非驱动端的最右侧，飞轮设置在径向轴承与无刷励磁机中间，定子、轴承、飞轮、无刷励磁机置于底板上。无刷励磁机转子与发电机转子的连接采用弹性圆盘加半联轴器的连接方式。总体结构布置具有有效缩短机组轴向长度、提高机组稳定性的特点(见图3)。

图2 AVR调节器接线图

1-径向推力轴承；2-定子；3-转子；4-副绕组引出接线盒；5-径向轴承；6-飞轮；7-无刷励磁机；8-底板；9-定子绕组出线；10-通风管

2.2 主要技术参数

发电机电磁设计方案时，重点关注额定励磁电流和额定励磁电压，关系到无刷励磁机的选型和成本，计算值需准确。

无刷励磁机提供发电机转子励磁电源，其电磁设计方案要合理，在特殊工况时有强励要求，要注意气隙磁场的饱和度取值。无刷励磁机极数选择影响振动和噪音，同时励磁机极数与主机极数有关联，选取不当同样会造成振动和噪音问题。无刷励磁机拖动的是一个感性负载，因此无刷励磁机自身的短路比和阻抗值要适当，匹配不当会造成响应速度迟缓。

考虑国内无刷励磁机制造厂家已非常多，技术也较成熟，本项目采用外购技术水平好、质量稳定的无刷励磁机厂家配套。经电磁设计方案计算和分析，水轮发电机和无刷励磁机电磁设计主要技术参数如下所示(见表1)。

表1 主要技术参数

2.3 副绕组设计

发电机定子电压为6 300 V，在高电压定子中设置副绕组，是笔者所在公司首次应用该技术，突破的技术难点如下：

2.3.1 匝数计算

副绕组所处槽中位置与定子绕组不同，磁密也将不同，分布系数和短距系数与正常定子绕组有差异；所以，副绕组匝数对输出电压影响很大。副绕组匝数详细计算见公式(1)。

(1)AVR对副绕组的要求。

①接法：Y型。

② 线电压范围为200～260 V，取220 V，计算其相电压为127 V。

(2)副绕组每相串联匝数计算。

3.618

(1)

式中，Kφ为磁场波形系数，取0.968 7；Uφ为副绕组相电压，取127 V；f为额定频率，取50 Hz；φ为空载额定电压时的每极磁通，取16.06×106Mx；Kw为副绕组的绕组系数，取0.953 85。

(3)取W付=4，再次核算线电压为243 V，满足AVR对副绕组线电压范围要求。

2.3.2 副绕组布置

根据计算，副绕组每相匝数为4，则每相每极匝数为0.5，节距为1～15，每相各设置1组备用绕组。

发电机电压为6 300 V，为避免副绕组引出线跨越定子绕组的端部，把副绕组嵌在定子槽的槽底部位置(见图4)。

副绕组线圈跨距较大，其端部刚度较弱，两端部位置各设置1个端箍，用适形材料和涤纶绳将副绕组绑扎在端箍上，端箍固定在支架上(见图4(a))。

(a)副绕组安装图

2.3.3 线规参数

采用9根漆包圆铜线并绕，漆包圆铜线规格为φ1.3(φ1.38)，材料为耐电晕漆包圆铜线QNY-2/200。

2.3.4 副绕组绝缘结构

副绕组槽底直线部分绝缘结构：用环氧玻璃布板3240上下夹住漆包线，使其平铺，然后半叠包2层环氧粉云母带，最后半叠包1层玻璃丝带，包好后压平；宽度方向接近槽宽，放入发电机定子槽的槽底(见图5(a))。

副绕组端部及槽外直线部分绝缘结构：将圆铜线排列整齐，半叠包3层环氧粉云母带，最后半叠包1层玻璃丝带(见图5(b))。

(a)副绕组槽底直线部分绝缘结构

2.3.5 副绕组引出线布置

定子绕组引出线设置在机座下侧，从安全可靠出发，副绕组引出线尽可能远离定子绕组引出线，并单独设置1个独立的接线盒；接线盒含2套接线端子，其中1套接线端子用于备用副绕组接线。副绕组引出接线盒位置见图3中所示。

3 工厂试验

将发电机、AVR、无刷励磁机按图1电气原理图接线，进行空载试验；观察发电机定子绕组、副绕组建压情况，并测量定子绕组、副绕组电压数据；测量空载试验时无刷励磁机的电压、电流数据。

3.1 测量副绕组输出电压

将发电机转子与无刷励磁机转子联轴并接线，此时AVR先不接入，用直流电源给无刷励磁机定子供电，电动机拖动发电机至额定转速，测量副绕组输出线电压值(见表2)。从测量结果可看出，副绕组感应出的线电压满足要求(AVR对副绕组的要求：线电压范围为220～260 V)。

3.2 空载试验

发电机副绕组接入AVR，AVR与无刷励磁机定子绕组连接，发电机转子与无刷励磁机转子联轴并接线，电动机拖动发电机至额定转速；观察发电机定子绕组、副绕组建压情况。用示波器监测电压交流信号的波形，并测量发电机定子电压、无刷励磁机电压、电流值(见表3)。

表2 副绕组输出线电压值

表3 空载试验数据

试验结论：空载试验测量的各数据显示发电机空载试验建压正常，示波器显示发电机定子绕组和副绕组两组电压交流信号的周期完全一致。

4 电站应用情况

下坑水电站共2台机组，于2018年8月安装完毕，2018年11月成功并网发电。运行至今，机组在振动、噪声、温度等性能指标上均达到国家标准和技术协议要求，运行稳定可靠。电站建设励磁系统简单、成本低、运行维护方便、自动化程度高，得到了客户高度的赞誉。

5 结 语

无刷励磁水轮发电机因发电机无集电装置和碳刷部件，运行时发电机无碳刷接触火花和碳粉污染。发电机定子设置副绕组，专为无刷励磁机定子提供励磁电源，电源独立且不受电力系统电压波动影响。电站不需要配置励磁变压器等设备，励磁系统简单、建设成本低。

通过该项目的实施，掌握了带副绕组无刷励磁水轮发电机系统的设计开发技术。通过工厂试验和实际电站示范应用，验证了该技术的稳定可靠、性能优越，电站建设成本低、运行维护方便，具有推广应用价值。