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无刷同步发电机中的三次谐波励磁线圈及基波励磁线圈的设计

发布时间:2009-11-04 作者:殷洪海,殷莉莉

        0 引 言
        无刷同步发电机组工作时,励磁调节器要跟 随负载的变化,及时调节励磁机的输出电压,使主 发电机的输出电压趋于稳定。当负载电流增大 时,定子线圈电流产生的磁场波叠加在主励磁磁 场上,使气隙磁场中的磁感应强度的正弦波形产 生畸变,这意味着气隙磁场中三次谐波的存在 (五次谐波、七次谐波、九次谐波均存在,但幅值 较小,工程上可以忽略) 。波形畸变越大,三次谐 波分量越大。在开环发电机系统中,发电机输出 的电压幅值在额定负载突加时急剧下降。要解决 这个问题,必须引入反馈。人们探索利用这种气 隙磁场波形畸变现象,将三次谐波的能量整流后 反馈给无刷同步发电机的励磁系统,使励磁机的 磁场密度加大,促使励磁机输出较高的电压,该电 压经旋转整流器(与主轴一同旋转的二极管全波 整流器)放大整流后,对主磁极进行补偿励磁,主 磁极输出的磁密有所加大,从而抬高发电机的输 出电压,抵消部分负载效应引起的电压下降。 电机设计师们构想一种复合式的励磁装置, 现在常见的无刷同步发电机励磁系统,将三次谐 波能量的反馈作为顺馈补偿,以补偿系统的调节 性能,整体上仍采用常规的电压、电流负反馈结 构,使用效果很好。其显著特点是大大缩短了系 统调节时间,输出稳定。
        感应的三次谐波电压经整流后具有一定的带 负载能力,并且能基本反映负载的变化情况,即: 空载时,三次谐波电压为零,满载时,三次谐波电 压输出幅值较大,其幅值变化趋势与负载变化趋 势一致,且呈非线性。因此三次谐波线圈既可作 为性能良好的传感器(能最快速度感应磁场的变 化或负载电流的变化) ,又可作为有一定补偿能 力的附加电源。
        如何在定子铁心槽内排布三次谐波线圈,使 之感应气隙磁场的三次谐波分量输出最大,并不 含基波分量,是电机设计师探索的课题。
        三次谐波线圈的设计应与主绕组线圈的设计 同时进行。定子铁心槽的宽度、深度应首先满足 主绕组线圈的设计要求,在此基础上安排基波励 磁线圈(他励发电机可不用基波励磁线圈) 。基 波线圈提供励磁能量、照明能量及其他用途,其线 圈输出一般为低压电(常设计为235 V单相交流 电) 。基波线圈须占用一部分定子铁心线圈槽空 间。高压发电机组的基波线圈仅占用少量的线圈 槽,剩下槽的空间可排放三次谐波线圈。三次谐 波线圈的宽度可参照基波线圈的宽度,或小于基 波线圈的宽度,以方便手工柔性嵌放线圈。三次 谐波线圈常为单股、多抽头状(抽头用于检测波 形或励磁时变换调节) 。三次谐波线圈的电流密 度值可参照励磁机定子线圈的电流密度值,且其 应与主绕组线圈隔离。
        1 定子冲片槽形空间(深度)的增加 值与基波线圈的设计
        三次谐波线圈与基波线圈布置在定子槽内主 绕组的上部,与主绕组线圈之间用绝缘垫片隔开。 三次谐波线圈与基波线圈配合应用。设计高压发 电机时,考虑到基波线圈功率值较小、电压较低、 电流较大,占用的槽形空间也较大,但匝数较少, 因此在设计定子冲片槽形时,槽形空间尺寸应在 原计算主绕组线圈的槽形空间尺寸基础上,适当 增加供基波线圈嵌放的槽形空间。槽宽度不变, 深度增加(三次谐波线圈占用的槽形空间较小, 其槽深增加的量值不另计算) 。计算步骤如下。
        (1) 选用基波线圈输出的电压量U1。一般 情况下,选用U1 = 235 V,与普通照明电压相同。
        (2) 计算照明等用功率值, PL 。
        (3) 计算励磁用功率值, PC。
        ( 4 ) 计算基波线圈输出功率值P1 , P1 = 1. 5PL + 2. 5PC。此处PC 的系数选用2. 5, 目的是 让励磁调节器工作时,有一定的调节裕度。调节 电压时,工作曲线的线性度好些。
        (5) 计算基波线圈的工作电流值, I1 = P1 / U1。
        (6) 计算基波线圈的单根导线铜截面积, S1 = I1 /K0。系数K0 为电流密度值, K0 = 2~3 A /mm2。
        (7) 确定基波线圈的绕制方法:如果选用圈 缠绕方式,每槽的基波线圈导线数等于圈数。如 果选用单导线S形绕线方式(连续单匝波绕组绕 法) ,每槽的基波线圈导线数为1。本文仅介绍用 S形绕线方式绕制基波线圈与三次谐波线圈。
        (8) 根据S1 确定基波线圈截面的裸铜外形 与尺寸。最好选用与槽宽相近的、粉云母绝缘的、 有一定绝缘厚度的成品铜心导线。
        (9) 确定单根导线(若厂方自己加工线圈) 对地主绝缘材料的厚度:应考虑烘压线圈工艺过 程对绝缘厚度的折算经验系数;下线工艺的间隙 裕量;多股导线在不同外形尺寸、不同排布、不同 层数时的宽、高数值的计算值;槽绝缘、防护包扎 层的厚度。这些因素均应参照企业自身工艺绝缘 规范进行计算。要求导线便于嵌放。
        (10) 基波线圈为低电压绕组,可不设防晕 层,但与高压主绕组线圈相邻放置时,应有一定的 绝缘能力。要确保该线圈在耐压试验时,可经受 2倍的主机额定工作电压值的耐压试验。
        (11) 对于整距绕组的发电机,基波线圈可在 槽距电角度为0°、180°、360°、540°⋯⋯的定子槽 内成S形嵌放。输出电动势E1 = K1B nLV (如图1 所示, Y =τ= 9时的基波线圈排布) 。其中: E1 为 基波线圈的电动势, V; K1 为气隙系数,取0 < K1 < 1 (其值应参考主绕组设计的计算值选取) ; B 为磁通密度, T; n为基波线圈的导线数; L 为单槽 内有效导线长,M,取定子铁心叠压有效厚度值; V 为主磁场的切向速度,m / s。
        (12)对于分数槽绕组的发电机,基波线圈的 排布应根据槽距电角度值进行相量计算,确定输 出电动势的值。
        例如:一台定子冲片槽数为108 槽,极数为 14极的水轮发电机,跨距Y = 7,循环数序为3、3、 2、3、2、3、2,其每槽电角度为23. 33°。可用试探 法,跨距选7或8,用相量作图法诱导完成设计。 沿第1槽(0°电角度) 、第9槽(186. 66°电角度) 、 第16槽( 350°电角度) 、第24 槽( 176. 66°电角 度) ,第32槽(3. 33°电角度) 、第40槽(190°电角 度) 、第47槽(353. 33°电角度) 、第55槽( 180°电 角度)形成S形排布基波线圈(见图2) 。

形成S形排布基波线圈


        在高压发电机定子槽内绕制235 V的基波线圈,需要的有效导线数很少,计算也很简便。 E1AE = E1Aa + E1aB + ElBb + ElbC + ElCc + ElcD + ElDd + EldE = K1BLV (1∠0°- 1∠186. 66°+ 1 ∠350°- 1 ∠176. 66°+ 1 ∠3. 33°- 1∠190°+ 1 ∠353. 33°- 1 ∠180°) = 7. 952 8 K1BLV = 7. 952 8 E10 式中:正号表示单导线顺槽布放产生的电势,负号 表示单导线回槽布放产生的电势。E10为主磁势 的激励下单根导线在定子槽内感应的基波电势有 效值。
        基波线圈输出电动势可根据实际设计值,增 删有效导线数。基波线圈也尽量采用成品导线 (单股或双股)手工柔性嵌入定子槽内。避免在 嵌放线圈的过程中用氧焊工艺,将铜导线现场拼 接成线圈,造成接头太多、绝缘层包扎过量、主绕 组线圈间接受损的现象。
        2 三次谐波线圈设计的基本原则
        三次谐波线圈在发电机系统中具有传感器的 功能,又可认为是辅助功率输出元件。计算三次 谐波线圈的输出平均直流电压值,会随不同的定 子冲片槽数、不同极数、不同额定电压等级的发电 机,而出现种种困难。
        设计三次谐波线圈有两个基本原则: (1) 三 次谐波线圈感应的气隙磁场三次谐波分量要求 纯,感应的基波分量为零,如果不为零,则要求其 值最小(工艺引线的单边排布有时会引入少量的 基波分量) ; ( 2) 三次谐波线圈感应气隙磁场的 三次谐波分量输出的电压值较大。
        由于主激励磁场中不含有三次谐波分量(在 设计磁极冲片时,有意识地将磁极冲片的极冠设 计成与发电机定子轴心非同心的圆形,从而使主 磁极激励的磁感应强度呈近似理想正弦波的波 形,无三次谐波分量) ,因此三次谐波线圈空载时 感应的三次谐波分量极小,趋于零。三次谐波的 幅值与气隙磁场的波形畸变程度有关;与定子线 圈的电流大小有关;与定子线圈的排布有关;与定 子槽形的扭曲程度有关。三次谐波线圈输出的电压有效值由线圈感应的各次谐波分量有效值的平 方和开方确定。
        为了获得较大的三次谐波输出量值,必须以 串接形式排布多段三次谐波线圈。三次谐波线圈 可以占用基波绕组排布后余下的空槽。另一方 面,由于定子铁心槽中的每一条导线均可感应出 基波电势,这要求三次谐波线圈的排布处处考虑 成对安排相应的基波环流导线段,使之相互抵消, 无基波量出现。整距绕组的发电机三次谐波线圈 比较容易设计。大型发电机、水轮发电机的线圈 多采用短距、分数槽绕组。这就使三次谐波线圈 的排布无法避免地会引入少量的基波分量。
        在励磁系统中,由三次谐波线圈引入的少量 基波分量被整流后变为不可调节的恒值直流分 量,直接串接在励磁机的调节环节,这在一定范围 内不影响励磁调节器的动态性能,但该恒值直流 分量直接干涉了励磁调节器的可调裕度,故其不 宜超过总调节能量的20%。
        对于采用一些刻意使三次谐波分量增大的设 计方法,例如将定子铁心嵌放线圈槽与定子轴线 倾斜一个角度(一般斜一槽) ,或者用改变极靴的 几何形状等方法都可使三次谐波线圈感应的三次 谐波分量增大,但这样会使发电机输出的电压波 形质量受到影响,并网运行时发电机效率降低、温 升提高,内部固有的三次谐波分量引起环流。 三次谐波线圈同样可感应出五次谐波分量、七 次谐波分量等(请参看有关文献) ,在计算时忽略。
        3 整距绕组且τ值可被3整除时的 三次谐波线圈的绕制
        整距绕组且τ值可被3整除的三次谐波线圈 的绕制很方便。设Z = 90, P = 5, Y =τ= 9, q = 3。 三次谐波分量的极距,τ3 =τ/3 = 3 ;三次谐 波磁势作为激励时,每槽的电角度为: α3 = (360°×3P) / Z = (360°×3 ×5) /90 = 60°。
        按上述设计原则设计了两组三次谐波线圈, 见图3,一组为线圈A2M,一组为a2m。pdf

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