中小型中壓無(wú)刷同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

隨著中小型的風(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(jī)也就應(yīng)運(yùn)而生。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(hù)，降低維護(hù)成本，無(wú)刷同步發(fā)電機(jī)在此顯現(xiàn)出其優(yōu)點(diǎn)。以進(jìn)口機(jī)組為主的風(fēng)電市場(chǎng)。迫切地需要我國(guó)自行開(kāi)發(fā)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、技術(shù)先進(jìn)、適合我國(guó)氣候和地理?xiàng)l件的發(fā)電機(jī)組，因此我們對(duì)中小型中壓無(wú)刷同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。

1．結(jié)構(gòu)原理
中小型中壓無(wú)刷同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理見(jiàn)圖1。

發(fā)電機(jī)的主機(jī)為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)式，通過(guò)電機(jī)定子向外輸出電能。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通常有隱極和凸極兩種結(jié)構(gòu)型式。由于此類電機(jī)的運(yùn)行工況一般均與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行，對(duì)發(fā)電機(jī)的電壓品質(zhì)要求較高。轉(zhuǎn)子為隱極結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)(相對(duì)于凸極結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī))波形的正弦性好、畸變率小。主機(jī)勵(lì)磁電流由勵(lì)磁機(jī)通過(guò)旋轉(zhuǎn)整流器提供，勵(lì)磁機(jī)為旋轉(zhuǎn)電樞式的三相同步發(fā)電機(jī)。勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁由發(fā)電機(jī)控制器提供。

2總體設(shè)計(jì)
2．1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
機(jī)座支撐定子鐵芯迭片．承受定子扭矩，須對(duì)機(jī)座的剛度進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。電機(jī)轉(zhuǎn)軸主要傳遞機(jī)械功率．受彎矩和扭矩作用，見(jiàn)圖2。彎矩是由轉(zhuǎn)子重量、單邊磁拉

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

2．2冷卻設(shè)計(jì)
發(fā)電機(jī)的冷卻方式一般分為自然冷卻、自力通風(fēng)冷卻、強(qiáng)迫風(fēng)循環(huán)冷卻三種。自然冷卻多用于lkW以下的電機(jī)。強(qiáng)迫風(fēng)循環(huán)冷卻需在電機(jī)與風(fēng)機(jī)之間設(shè)置專門風(fēng)路，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大，也給維護(hù)維修帶來(lái)不便。中小型中壓發(fā)電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)軸上，風(fēng)扇消耗的功率由轉(zhuǎn)軸的機(jī)械功率供給。為與中小型低壓電機(jī)的通風(fēng)冷卻設(shè)計(jì)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(dǎo)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(dǎo)體與冷卻介質(zhì)之間的溫差；Q——導(dǎo)體的發(fā)熱量；



R——導(dǎo)體與冷卻介質(zhì)之間的熱阻。

由于絕緣層厚度與等級(jí)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(shù)。所以鋯叩oc廠r(跗)oc廠(跗)(跗)芘|s‘。在外部散熱條件類似的情況下．中低壓發(fā)電機(jī)的p值只與容量Js有關(guān)。因此。中壓電機(jī)的冷卻通風(fēng)計(jì)算完全可以參考中小型低壓電機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算。
2．3絕緣設(shè)計(jì)
(1)對(duì)地絕緣設(shè)計(jì)。由于絕緣材料存在電老化、熱老化、機(jī)械損傷等現(xiàn)象使其絕緣性能逐年下降，絕緣設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮絕緣的長(zhǎng)時(shí)間耐電強(qiáng)度，保證工作20～30年不出現(xiàn)絕緣的擊穿。一般要求運(yùn)行30年后仍能承受兩倍額定電壓的預(yù)防性交流試驗(yàn)電壓，并考慮耐電強(qiáng)度的分散性、線棒結(jié)構(gòu)等因素，絕緣厚度在耐壓強(qiáng)度上的儲(chǔ)備系數(shù)要求達(dá)到8左右。據(jù)此合理設(shè)計(jì)對(duì)地絕緣厚度。隨著絕緣技術(shù)的發(fā)展和新的絕緣材料的不斷涌現(xiàn)，對(duì)地絕緣厚度有逐漸減薄的趨勢(shì)。目前，對(duì)于6．3 kV電壓等級(jí)的電機(jī)。采用少膠粉云母帶時(shí)單邊絕緣厚度為1．7 mm左右；對(duì)于10．5 kV電壓等級(jí)的電機(jī)，單邊絕緣厚度為2．7 mm左右。

(2)匝間絕緣設(shè)計(jì)。中壓電機(jī)的繞組是由多匝線圈串聯(lián)而成。當(dāng)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(jù)此設(shè)計(jì)匝間絕緣所需厚度。

(3)防電暈設(shè)計(jì)。發(fā)電機(jī)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(qiáng)度較高就開(kāi)始局部放電或電暈．它們對(duì)絕緣材料有強(qiáng)烈的腐蝕作用，特別是在：1)槽部對(duì)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)繞組端部相鄰線圈的空隙中以及固定繞組用的支撐件與線圈絕緣相接觸處。因此絕緣設(shè)計(jì)時(shí)必須針對(duì)電暈進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。

2．4勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)
中小型中壓無(wú)刷同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁功率不是很大。一般多用單機(jī)勵(lì)磁，勵(lì)磁系統(tǒng)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(lì)磁機(jī)勵(lì)磁方案。副勵(lì)磁機(jī)為發(fā)電機(jī)控制器提供工作電源和勵(lì)磁機(jī)用的勵(lì)磁電源：信號(hào)取樣裝置TA、Tv為發(fā)電機(jī)控制器提供控制用的信號(hào)取樣輸入(見(jiàn)圖1)。