中小型中壓無(wú)刷同步發(fā)電機的設計特點(diǎn)

隨著(zhù)中小型的風(fēng)力發(fā)電越來(lái)越受到關(guān)注，與之配套的中小型中壓同步發(fā)電機也就應運而生。由于風(fēng)力發(fā)電機安裝于幾十米甚至上百米高的塔架上，使用環(huán)境特殊，必須方便維護，降低維護成本，無(wú)刷同步發(fā)電機在此顯現出其優(yōu)點(diǎn)。以進(jìn)口機組為主的風(fēng)電市場(chǎng)。迫切地需要我國自行開(kāi)發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權、技術(shù)先進(jìn)、適合我國氣候和地理條件的發(fā)電機組，因此我們對中小型中壓無(wú)刷同步發(fā)電機進(jìn)行設計研究。

1．結構原理
中小型中壓無(wú)刷同步發(fā)電機的結構原理見(jiàn)圖1。

發(fā)電機的主機為旋轉磁場(chǎng)式，通過(guò)電機定子向外輸出電能。發(fā)電機轉子通常有隱極和凸極兩種結構型式。由于此類(lèi)電機的運行工況一般均與電網(wǎng)并聯(lián)運行，對發(fā)電機的電壓品質(zhì)要求較高。轉子為隱極結構的發(fā)電機(相對于凸極結構的發(fā)電機)波形的正弦性好、畸變率小。主機勵磁電流由勵磁機通過(guò)旋轉整流器提供，勵磁機為旋轉電樞式的三相同步發(fā)電機。勵磁機的勵磁由發(fā)電機控制器提供。

2總體設計
2．1 結構設計
機座支撐定子鐵芯迭片．承受定子扭矩，須對機座的剛度進(jìn)行設計計算。電機轉軸主要傳遞機械功率．受彎矩和扭矩作用，見(jiàn)圖2。彎矩是由轉子重量、單邊磁拉

力和傳動(dòng)系統的反作用力產(chǎn)生的(砭+0和砟)；扭矩是由轉軸傳遞機械功率產(chǎn)生的(砟，)。設計轉軸時(shí)主要考慮：(1)對于同步發(fā)電機，軸的撓度廠(chǎng)必須小于電機氣隙長(cháng)度6的8％，即．廠(chǎng)<68％。(2)過(guò)載時(shí)，軸的應力不應超過(guò)許用應力。
由于彎矩和扭矩作用使轉軸產(chǎn)生應力，轉軸各截面上受到的彎矩和扭矩不同。各截面上的應力也不同，在計算軸的應力時(shí)．’一般只計算幾個(gè)應力最大的危險截面，例如軸伸端軸承兩側和鐵芯中部。

2．2冷卻設計
發(fā)電機的冷卻方式一般分為自然冷卻、自力通風(fēng)冷卻、強迫風(fēng)循環(huán)冷卻三種。自然冷卻多用于lkW以下的電機。強迫風(fēng)循環(huán)冷卻需在電機與風(fēng)機之間設置專(zhuān)門(mén)風(fēng)路，結構復雜、體積龐大，也給維護維修帶來(lái)不便。中小型中壓發(fā)電機功率不是很大，選用自力通風(fēng)冷卻最為合理，特點(diǎn)是風(fēng)扇安裝在電機轉軸上，風(fēng)扇消耗的功率由轉軸的機械功率供給。為與中小型低壓電機的通風(fēng)冷卻設計相比較．此處說(shuō)明熱阻R與絕緣厚度的關(guān)系(熱阻R與絕緣厚度成正比)，導體與冷卻介質(zhì)的熱路可簡(jiǎn)化為圖3?？梢?jiàn)p=QR。式中：卜導體與冷卻介質(zhì)之間的溫差；Q——導體的發(fā)熱量；



R——導體與冷卻介質(zhì)之間的熱阻。

由于絕緣層厚度與等級密切相關(guān)，RoCU(S／，)。式中：￡7二—一額定電壓；卜額定容量；，_額定電流?？梢?jiàn)絕緣層加厚、熱阻增大，但p oC廠(chǎng)r。其中卜電樞繞組電阻。又有roCⅣoc U(肌)。其中：忙電樞繞組串聯(lián)匝數。所以鋯叩oc廠(chǎng)r(跗)oc廠(chǎng)(跗)(跗)芘|s‘。在外部散熱條件類(lèi)似的情況下．中低壓發(fā)電機的p值只與容量Js有關(guān)。因此。中壓電機的冷卻通風(fēng)計算完全可以參考中小型低壓電機的設計計算。
2．3絕緣設計
(1)對地絕緣設計。由于絕緣材料存在電老化、熱老化、機械損傷等現象使其絕緣性能逐年下降，絕緣設計時(shí)必須考慮絕緣的長(cháng)時(shí)間耐電強度，保證工作20～30年不出現絕緣的擊穿。一般要求運行30年后仍能承受兩倍額定電壓的預防性交流試驗電壓，并考慮耐電強度的分散性、線(xiàn)棒結構等因素，絕緣厚度在耐壓強度上的儲備系數要求達到8左右。據此合理設計對地絕緣厚度。隨著(zhù)絕緣技術(shù)的發(fā)展和新的絕緣材料的不斷涌現，對地絕緣厚度有逐漸減薄的趨勢。目前，對于6．3 kV電壓等級的電機。采用少膠粉云母帶時(shí)單邊絕緣厚度為1．7 mm左右；對于10．5 kV電壓等級的電機，單邊絕緣厚度為2．7 mm左右。

(2)匝間絕緣設計。中壓電機的繞組是由多匝線(xiàn)圈串聯(lián)而成。當操作過(guò)電壓時(shí)匝問(wèn)過(guò)電壓比工作電壓約高20倍以上。而且各線(xiàn)圈上分布的電壓很不均勻。通常匝間遇到的最大過(guò)電壓幅值很少超過(guò)0．35 u。，因此。據此設計匝間絕緣所需厚度。

(3)防電暈設計。發(fā)電機絕緣層中或絕緣之外不可避免的存在氣隙，這些氣隙在不太高的交流電壓下，因分到的電場(chǎng)強度較高就開(kāi)始局部放電或電暈．它們對絕緣材料有強烈的腐蝕作用，特別是在：1)槽部對地絕緣和槽壁之間的空氣中；2)繞組靠近通風(fēng)道處；3)繞組出槽口處；4)繞組端部相鄰線(xiàn)圈的空隙中以及固定繞組用的支撐件與線(xiàn)圈絕緣相接觸處。因此絕緣設計時(shí)必須針對電暈進(jìn)行專(zhuān)門(mén)設計。

2．4勵磁系統設計
中小型中壓無(wú)刷同步發(fā)電機的勵磁功率不是很大。一般多用單機勵磁，勵磁系統可有三種方案(見(jiàn)表1)。第三種方案雖動(dòng)態(tài)性能稍差。但可靠性高，最為可行。所以一般選擇副勵磁機勵磁方案。副勵磁機為發(fā)電機控制器提供工作電源和勵磁機用的勵磁電源：信號取樣裝置TA、Tv為發(fā)電機控制器提供控制用的信號取樣輸入(見(jiàn)圖1)。