灯泡贯流式水轮发电机电磁性能仿真研究

姜 运 万 元 潘平衡

（1、五凌电力有限公司，湖南 长沙 410082 2、湖南五凌电力科技有限公司，湖南 长沙 410082 3、湖南省水电智慧化工程技术研究中心，湖南 长沙 410006）

随着环境污染严重和不可再生资源稀缺问题的凸显，清洁能源受到越来越广泛的重视。水电是我国丰富的清洁能源，具有再生、无污染和运行费用低等特点。水力自然资源的充分有效利用，将有着良好的社会综合效益。相比于火力发电，水力发电无污染和运行成本低，具有不可动摇的发电地位。因此，水电事业的蓬勃发展将为人与自然的和谐发展起着重要的作用[1]。

在水力发电中，水轮发电机是水能-机械能-电能转换的中枢，其性能好坏将直接影响到整个水力发电厂的运行效率。水轮发电机是电磁能量转化装置，掌握其发电运行时的电磁性能是发电机能够良好运行的关键[2]。因此，有必要对水轮发电机的基本电磁特性进行详细研究。本文将以水电厂18.5MW 灯泡贯流式水轮发电机为研究对象，对其空载和负载性能进行详细研究，这为水轮发电机的发电运行特性分析提供参考。

1 电机结构

水轮发电机为电励磁凸极同步电机，其二维截面图如图1所示。定转子采用硅钢片叠压而成。转子侧有64 个凸极，每个凸极上缠绕一套励磁绕组，形成32 对极。定子铁芯上有432 个均匀分布的槽，槽里嵌放电枢绕组。定子电枢绕组采用波绕组形式，并联支路数为1。水轮发电机额定运行转速为93.75r/min，额定运行频率为50Hz。发电机主要结构参数如表1 所示。

表1 水轮发电机主要参数

图1 水轮发电机二维截面图

2 空载电磁性能分析

2.1 有限元模型建立

水轮发电机定转子结构较为复杂，采用有限元分析时网格数较多，分析比较耗时。为了节约分析时间，在电磁分析时采用其单元电机形式，这样可以减小网格数，缩短分析时间。水轮发电机定子槽数为432，极对数为32，其单元电机中包含的定子槽数和极对数为[3]：

式子中Zu和pu分别为单元电机定子槽数和极对数。

从（1）可知，水轮发电机包含16 个单元电机。此外，单元电机的定子槽数和极对数分别为27 和2。本文建立了单元电机的限元分析模型，如图2 所示。电枢绕组采用线棒形式，定子为开口槽，便于绕组下线。转子铁芯上缠绕有励磁绕组，磁极上安装有阻尼条，便于电机的动态运行。

图2 单元电机模型

2.2 空载磁密与反电势

在励磁绕组中通入额定励磁电流560A，相邻磁极对应的励磁线圈电流方向相反，得到的磁力线分布如图2（a）所示，相邻磁极极性相反。电机空载磁密分布如图2（b）所示。由于阻尼绕组开孔的原因，电机磁密最饱和部分在磁极顶部，接近2.3T。图3 给出了一对极下的气隙磁密分布。由于磁极下面为均匀气隙，导致气隙磁密波形接近梯形波。由于定子齿槽的原因，在气隙磁密波形中含有较大的齿谐波含量。

图3 气隙磁密分布

当水轮发电机以额定转速93.75r/min 运行时，产生的三相反电势如图4 所示。可以看出，产生的反电势周期为20ms，对应的反电势为50Hz。由于采用了分数槽分布绕组形式，反电势波形接近于正弦波。将相反电势通过傅里叶分解，得到的各次谐波含量如图5 所示。除了基波含量外，反电势中主要含有3 次谐波。电机绕组采用Y 形解法，3 次谐波会相互抵消。

图4 空载反电势波形

图5 空载反电势谐波分解

电励磁同步发电机有着励磁可调的优点。图6 给出了不同励磁电流下的反电势幅值。随着励磁电流的增加，相反电势幅值逐渐增大。当励磁电流大于300A 时，由于铁芯饱和的影响相反电势幅值变化逐渐变化。

图6 不同励磁电流下反电势幅值

2.3 电感计算

随着转子的旋转，由于气隙磁导的变化，电机电感将随之发生变化。图7 给出了电枢绕组自感和互感随转子旋转变化的波形。电感变化频率为电机电频率的2 倍。通过Park 变化，得到的电机D、Q 轴电感分别为11.9mH 和8.8mH[4]。

图7 电枢绕组自感和互感波形

3 负载性能分析

3.1 电压和电流

电机额定功率为18.5MW，额定电压为1050V，功率因素为0.9，得到的等效负载电阻和电感分别为4.8Ω 和7.4mH。通过Ansys 软件搭建了水轮发电机带负载运行时的仿真电路。图8给出了带额定负载时的线电压，电压幅值为13.9kV，频率为50Hz。图9 给出了相电阻电流，幅值为1482A。

图8 负载线电压

图9 负载相电流

随着负载的变化，由于电枢反应的影响，电机端部电压将发生变化。图10 给出了电机在不同负载下的线电压幅值变化曲线。随着负载的增加，电机端部电压逐渐降低。

图10 负载特性曲线

3.2 损耗分布

电机在额定运行时，通过分析得到的定子铜耗、转子铜耗、定子铁耗分别为152.9kW、144.5kW 和87.9kW。可以看出，电机在额定运行时，电机的损耗主要集中在绕组铜耗上。

4 结论

本文基于有限元仿真方法建立了18.5MW 灯泡贯流式水轮发电机单元电机模型，对其空载和负载电磁性能进行了详细的分析，相关研究对水轮发电机的运行性能分析提供了参考。