中小型中壓無刷同步發(fā)電機的設計特點

隨著中小型的風力發(fā)電越來越受到關注，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，無刷同步發(fā)電機在此顯現(xiàn)出其優(yōu)點。以進口機組為主的風電市場。迫切地需要我國自行開發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權、技術先進、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刷同步發(fā)電機進行設計研究。

1．結(jié)構原理
中小型中壓無刷同步發(fā)電機的結(jié)構原理見圖1。

發(fā)電機的主機為旋轉(zhuǎn)磁場式，通過電機定子向外輸出電能。發(fā)電機轉(zhuǎn)子通常有隱極和凸極兩種結(jié)構型式。由于此類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(zhuǎn)子為隱極結(jié)構的發(fā)電機(相對于凸極結(jié)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旋轉(zhuǎn)整流器提供，勵磁機為旋轉(zhuǎn)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(jié)構設計
機座支撐定子鐵芯迭片．承受定子扭矩，須對機座的剛度進行設計計算。電機轉(zhuǎn)軸主要傳遞機械功率．受彎矩和扭矩作用，見圖2。彎矩是由轉(zhuǎn)子重量、單邊磁拉

力和傳動系統(tǒng)的反作用力產(chǎn)生的(砭+0和砟)；扭矩是由轉(zhuǎn)軸傳遞機械功率產(chǎn)生的(砟，)。設計轉(zhuǎn)軸時主要考慮：(1)對于同步發(fā)電機，軸的撓度廠必須小于電機氣隙長度6的8％，即．廠<68％。(2)過載時，軸的應力不應超過許用應力。
由于彎矩和扭矩作用使轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生應力，轉(zhuǎn)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．’一般只計算幾個應力最大的危險截面，例如軸伸端軸承兩側(cè)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、自力通風冷卻、強迫風循環(huán)冷卻三種。自然冷卻多用于lkW以下的電機。強迫風循環(huán)冷卻需在電機與風機之間設置專門風路，結(jié)構復雜、體積龐大，也給維護維修帶來不便。中小型中壓發(fā)電機功率不是很大，選用自力通風冷卻最為合理，特點是風扇安裝在電機轉(zhuǎn)軸上，風扇消耗的功率由轉(zhuǎn)軸的機械功率供給。為與中小型低壓電機的通風冷卻設計相比較．此處說明熱阻R與絕緣厚度的關系(熱阻R與絕緣厚度成正比)，導體與冷卻介質(zhì)的熱路可簡化為圖3?？梢妏=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，RoCU(S／，)。式中：￡7二—一額定電壓；卜額定容量；，_額定電流?？梢娊^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)電機的p值只與容量Js有關。因此。中壓電機的冷卻通風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(xiàn)象使其絕緣性能逐年下降，絕緣設計時必須考慮絕緣的長時間耐電強度，保證工作20～30年不出現(xiàn)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、線棒結(jié)構等因素，絕緣厚度在耐壓強度上的儲備系數(shù)要求達到8左右。據(jù)此合理設計對地絕緣厚度。隨著絕緣技術的發(fā)展和新的絕緣材料的不斷涌現(xiàn)，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圈串聯(lián)而成。當操作過電壓時匝問過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電壓幅值很少超過0．35 u。，因此。據(jù)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，因分到的電場強度較高就開始局部放電或電暈．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。因此絕緣設計時必須針對電暈進行專門設計。

2．4勵磁系統(tǒng)設計
中小型中壓無刷同步發(fā)電機的勵磁功率不是很大。一般多用單機勵磁，勵磁系統(tǒng)可有三種方案(見表1)。第三種方案雖動態(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(見圖1)。