水轮发电机的电磁设计及其优选

《广西电力技术》1997年第1期

经验

交流水轮发电机的电磁设计及其优选

张达朝　蒙长征

(广西南宁发电设备总厂　南宁市　530031)

水轮发电机的电磁设计与计算是一个设计参数量多、计算面大、涉及面广(包括电、磁、机、热)的综合性工程计算。设计人员总要花费巨大的精力进行频繁的计算,才能算出一个准确而又理想的电磁方案。由于计算中可改变量很多,可能组合数就更多,这些参数和变量相互牵涉和制约,因而可算的方案就非常多。这样大量的重复性计算工作,采用电子计算机来进行,既简便又容易,而且精确度高,速度快。过去,我们手算一个电磁方案,需要几个小时才能完成,而现在利用我们编制的程序在计算机上运算,只需半小时即可完成十多种方案的计算及优选。1　水轮发电机电磁计算程序的编制与实现

111　电磁计算程序编制的依据

我们开发和编制的水轮发电机电磁计算程序软件,主要是依据机械工业部电工专业指导性文件《凸极同步电机电磁计算公式》和机械工业出版社出版的《水轮发电机设计与计算》一书中电磁计算程序而编制的。这两套公式大同小异。同时,我们以“高性能、低消耗、优质量”为宗旨,融设计经验、专家思想于计算程序中,以设计分析、设计综合为一体,通过人机交流,依据工厂设计制造经验、国家标准、用户要求、性能指标、生产条件等来编制这套电磁计算程序。112　水轮发电机电磁设计框图

额定数据输入及菜单选择

主要尺寸的确定与计算

磁路及电路尺寸的确定与计算

阻尼系统与励磁系统的确定与计算

额定数据主要尺寸重要中间参量显示及修改

初步计算性能结果

满足要求否?

N

Y

输出重要参数计算

结果是否最优?

N

Y

最优方案输出

结 束

图1　水轮发电机电磁设计框图

电磁计算程序中有几百个公式,中间还穿插不少的图表。要从键盘中输入四五十个数据,既麻烦又易出差错。因此,本编程按主次编排、分层归类、前后相连原则,使程序结构清晰,可读性好。

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113　电磁计算程序编制过程

11311　水轮发电机主要尺寸的选择与计算

根据电站用户设计单位提供的主要原始数据,如功率S N、额定电压U N、额定功率因数co sΥ和额定转速n N等,结合有关设计标准、公式、图表及工厂生产机座号,在编制设计程序中,初定出定子铁心内径D i(或外径D1)和铁心长度L t。并通过程序的校核计算,使D i和L t能满足机械强度允许的最大圆周速度;满足给定的飞轮力矩GD2和给定的直轴瞬变电抗X′d的要求。然后确定槽数Z、串联匝数WΥ及每槽导体数N s,而且电负荷和磁负荷在合理的数值范围内。

11312　磁路系统和电路尺寸的初步确定与计算

磁路系统和电路尺寸包括绕组型式的选择、槽型几何尺寸计算和励磁系统中励磁绕组的几何尺寸计算。一般从给定的初始已知设计数据,按电压等级、工厂数据和设计经验设定定子冲片槽形尺寸槽高h s和槽宽b s,然后确定磁极系统尺寸、热负荷A J、支路导体截面积、定子线圈匝间绝缘型式和自动选择导线规格。如果电密不合理时,也可调整输入适宜导线规格,并修正h s和b s。其他数据即相应自动修正和得出。

11313　阻尼绕组的设计与计算

是否设置阻尼绕组,这要根据发电机的容量大小、结构型式、性能需要和用户要求等而定。在确定设置阻尼绕组时,其程序设计的主要依据是使定子绕组中由阻尼绕组引起的电势脉动最小,并保证电势曲线的正弦性;以及考虑削弱发电机过电压的影响等因素。当选择阻尼绕组节距t z、阻尼条直径d z、阻尼条数和阻尼环尺寸时,可根据相应变量、公式自动初选,在对参数性能校算时作调整。11314　励磁系统的设计与计算

励磁系统的设计主要是由已知的初始数据和初定的磁极尺寸来确定励磁绕组导线尺寸a f、b f和绕阻匝数W f,然后校核由此得出

相对应的励磁电压U f N和励磁电流I f N,是否能满足发电机励磁系统的要求,以及与之有密切关系的励磁绕组电密J f和转子温升Q f 是否合理。如不满足要求及不合理时,则要重新调整有关参数计算,直到结果满意为止。11315　电磁设计的结构、性能校核计算

水轮发电机基本尺寸给定以后,要对电磁程序设计中得出的各参数和相关结构、性能进行考核计算。本程序的考核计算包括发电机主要尺寸,磁路和电路尺寸,电磁负荷和热负荷,励磁系统和有关数据,电抗和时间常数,损耗和效率,发热和温升,短路比和经济指标等。此外,本程序还可以对发电机的空载特性、效率特性、调相电容、充电电容、定子铁心电磁振动和空载电压波形畸变率等方面进行校核计算。而且要求该程序能自动选择适当的设计参数和结构尺寸,通过重复分析对比和自动修改,以得到合理的电磁方案。然而要使整个程序设计符合性能良好、制造方便、耗材料低和用户满意等原则,就必须对电磁设计程序进行优选设计了。2　水轮发电机电磁计算程序的优选设计

211　电磁计算程序优选设计的指导思想

按照同步电机电磁计算公式编制的程序,在计算机上使用时,尽管既方便又快捷,但由于这套公式是一复算公式,要从键盘输入四五十个数据,很多主要数据是凭经验而估计输入的,所以必须反复估计输入、计算、对比和筛选,才有可能收到满意的结果。按公式编制的软件,从后面修改的数据与前面数据互相关联,互相牵制。这样每次从头到尾复算既麻烦又费时间,而且按公式程序打印的计算结果有230多项,查阅困难,修改不便。对此电磁程序设计比较理想的是进行“设计优化”。所谓“设计优化”即是对设计问题有明确的数学模型,依据现代数学的寻

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优理论和手段并采用优化方法,自动得到较优的设计程序。但由于各电站的地理位置、环境条件、技术要求不一,对配置的水轮发电机也难以统一型式,另外还有结构、性能等方面的特殊要求,以及各制造厂制造、工艺、成本、通用工模具等因素的影响,势必会使某些参数优些而另一些参数差些。也就是未有明确的数学模型,难以做到尽优尽美。只有权衡利弊,互相照应,用特殊要求特殊解决的原则来寻找理想方案。这就是目前我们实施的“优选设计”。其特点是寻优过程需有一定自动性,但自变量变化方向常受人工干预。目前国内外对变压器、异步电动机已开始应用优化设计,对水轮发电机电磁优化设计有待我们努力实现。

212　电磁计算程序优选设计的实现

21211　建立优选设计程序的数学模型

以我们原水轮发电机电磁设计程序为基础,让计算机根据要求改变某个结构数据,并能满足规定的技术指标,迅速得到其他相应的参数和数据。也就是用数学的语言描述,通过建立的数学模型,选择电机结构参数的数据为自变量,在电机设计众多的图、表、约束条件组合数中,通过对比、优选,使目标函数取得比较理想的数值,这样得到既满足电站用户的要求,又可获得结构、性能、成本等方面比较理想的优秀设计方案。

21212　“起点方案”的建立和选取

在对电磁设计方案优选前,必须建立和选取一个可行的方案作为“起点方案”。这是优选设计十分重要的一步。“起点方案”的建立和选取,必须符合下面几点要求:

a1　必须是可行的方案;

b1　确保即将进行的优选过程在理论上成立,并且在操作上是可行的;

c1　利于优选程序的编制,避免陷入“局部优化”的境地。

通过自变量的变化实现了电磁负荷的“协调”后,再依据约束条件,指导自变量变化的方向,即可由原编制数学模型获得一个可得的“起点方案”。

21213　电磁计算程序设计优选的确立

寻优的方法很多,但考虑到编程的难易程度,以及电磁设计优选的特点,我们采用虎克—吉夫斯(Hook-Jeeves)法,这是一种直接法寻优的方法。只要算出任何一试验点的函数值就可以通过一系列的步骤逐渐逼近最优点。因此,我们根据实际要求,在设计程序上对某一电磁参数修正后,即能迅速获得相应的优选结果。这实际上是模拟人脑的思维过程,是计算机程序的“人工智能化”的结果,也是这个程序系统成败的关键。这种优选即实现“所想即所得”。

21214　电磁计算程序设计优选的实施

由电站或设计院提供资料,通过我们的选型或根据用户要求的机型,按照我们编制的电磁计算设计优选程序,输入有关额定数据和初步确定的电机主要尺寸后,通过运算很快得出与之相关参数和数据。例如根据某电站提供的水头、流量等资料和综合该电站各方面的要求,我们在计算机上输入相关数据及简单计算,则可得出该发电机的额定数据的初选主要尺寸表。对初选的结果如合乎设计的要求没有什么修改时,输入新的指令,我们很快得到相应的发电机电磁性能的主要参数结果。这样我们对这个参数结果按照“高性能、低消耗、优质量”的设计指导思想进行考核。如不满意,可返回初选主要尺寸表,略作修改主要相关尺寸,即得新的相应结果,最后输出优选结果——水轮发电机电磁设计计算单。

这个电磁计算单包括了水轮发电机基本技术数据、设计结构尺寸和有关电气性能参数。因而该计算单直观明了,通俗易懂、查阅方便、数据准确,是我们进行水轮发电机结构设计的主要依据。(下转第32页)