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摘要：本文结合水轮发电机设计和研究的现状，提出一种水轮发电机优化设计技术方案，并对其在水轮发电机设计中的应用及其效果进行研究，以供参考。
关键词：水轮发电机；设计；优化；方案；研究
在进行水轮发电机的设计中，需要针对各种冲突因素与设计内容进行相互协调，才能够对其设计方案的科学性与合理性进行保障，进而促进其在具体工程中的有效应用。尤其是对大型水轮发电机的设计，需要进行协调的内容和要素更加复杂，其设计要求也更高。另一方面，随着计算机技术与信息软件的发展及其在各行业领域中的应用实现，为水轮发电机的设计和发展也提供了更加有利的技术支持，因此，在水轮发电机设计中引入现代化的计算机与信息技术，并通过对水轮发电机设计实践经验的有效汲取和应用，以促进水轮发电机设计的竞争力提升，具有十分显著的作用优势和必要性。下文将结合水轮发电机的设计与研究现状，提出一种水轮发电机优化设计方案，并对其具体设计和应用进行研究，以供参考。
1、水轮发电机的优化设计方案
1.1 水轮发电机设计与研究的现状
结合水轮发电机设计与研究的现状，其中，在水轮发电机的实际设计中，为实现对电磁参数的精确评估，有关研究进行了更加先进的电磁分析软件工具开发和应用，并且通过对整数槽与分数槽电机有限元网格自动生成器的研发应用，在实际设计和分析中实现单极与多极的发电机电磁场问题模拟研究，从而为具体实践提供更加可靠的设计和支持。此外，结合水轮发电机设计与分析的实际需求，还会通过对几何与剖分网格的模拟研究，以实现更加合理的设计参数获取，提高水轮发电机设计的合理性。除上述情况外，在对大型水轮发电机的设计和研究中，从实际线圈的形状以及负载情况、转子运动的时步公式等方面进行综合分析，对平衡负载与不平衡负载下的稳态以及暂态电磁场特征进行分析和计算，来促进水轮发电机设计的不断优化，在具体实践中也有应用。与时步分析法相比，通过解析法以及静磁场有限元分析法的磁导模型进行单磁极模型开发和应用，在分数槽定子绕组水轮发电机的设计中也有应用，并且其计算分析的速度更快、效率更高，对振动频率来源与模态以及负序发热情况的研究应用，也具有较为显著的作用和效果。
1.2 水轮发电机的优化设计方案
根据上述对水轮发电机设计与研究现状的分析，在对水轮发电机的优化设计方案研究和分析中，本文所提出的优化设计方案，在具体设计和应用中不仅能够促进其设计空间有效扩展，实现其设计方案的优化与改进，而且对促进水轮发电机设计过程的自动化发展，也具有十分积极的作用和影响。其中，该方案在进行水轮发电机设计优化中，是以大量的发电机运行参数以及输入变量为基础，以水轮发电机多任务运行场景下的整体性能优化和提升为目的，通过将水轮发电机的整体优化目标进行有效分解，形成一系列面向单个部件的子优化问题，从而在子优化目标实现基础上，对其整体优化与改进进行支持。需要注意的是，上述优化设计方案在水轮发电机设计中应用，能够对发电机定子温升所决定的总损耗情况进行有效优化和改善。如下图1所示，即为以上述优化方案为支持的水轮发电机总损耗与定子温升的迭代次数关系图。根据该图不难看出，上述优化设计方案在水轮发电机设计中应用后，能够有效降低其总损耗，并且该优化设计方案对总损耗的降低控制率能够达到20%左右，同时能够对发电机运行中的定子温升要求进行有效满足，具有较好的应用效果。
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图1 优化设计方案下水轮发电机总损耗与定子温升的迭代次数关系图
2、水轮发电机优化设计方案的对比分析
根据上述对水轮发电机设计与研究现状及其优化设计技术方案的分析，为对本文所提出的水轮发电机优化设计技术方案应用效果进行验证分析，本文还专门针对水轮发电机设计中的电磁场问题，分别采用时步有限元分析方法与WAVE软件分析法对其进行计算分析，并对两种方法的应用效果进行对比，以验证本文所提出的WAVE软件分析法的应用可行性及其有关作用和效果。
1）时步有限元分析法
时步有限元分析法在水轮发电机设计中应用，是通过对水轮发电机的动态过程进行有效模拟和计算分析，来实现发电机设计中的电磁场问题解决，从而对其设计的合理性进行保障。与MMF-磁导法与等效电路分析等传统方法相比，时步有限元分析的结果更加可靠。通常情况下，时步有限元分析法进行水轮发电机设计的电磁场问题分析应用，其主要功能包含对开路额定电压以及饱和曲线中任意点电压的分析、对发电机或电动机状态的负载分析、稳态短路分析等等。如下图2所示，即为时步有限元分析法对某水轮发电机开路额定电压的电磁场分布模拟分析结果图。
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图2 空载两极发电机模型的时步有限元电磁场分析结果
除上述发电机设计及其有关问题外，时步有限元分析法在发电机的稳态负序能力分析中也具有一定的应用，并且对这一特定情况的发电机设计与研究分析，需要通过对发电机阻尼回路的电流分布进行准确预测，以实现其阻尼绕组的发热情况分析和设计控制，从而对水轮发电机的设计合理性进行支持。需要注意的是，在上述分析过程中，对阻尼回路的电流分布进行预测中，其准确性会受到有关电路参数的精确性影响，从而对其分析结果准确性产生一定的干扰，在实际设计和分析中应引起重视。
2）WAVE软件分析法
在对水轮发电机的设计中，尤其是对大型水轮发电机的设计，需要根据其不同运行参数进行设计分析和考虑，从而对其设计合理性进行支持。根据该情况，采用时步有限元分析法对发电机的电磁性能进行准确预测和分析中，对发电机负序转子发热等的分析，明显会受到分析应用计算机资源的局限性影响，尤其是对分数槽绕组电机的电磁场分析中，由于需要进行较多的极距设置，导致其采用时步有限元分析法进行计算分析和设计的局限性更加突出。为此，本文专门提出了一种新的分析方法，即WAVE软件分析法。以电压等级为1kV、定子转速为1200r/min、频率为60Hz、功率为0.654MVA的同步电机为例，采用WAVE软件分析法对其发电机运行中的电磁场问题进行分析，并对其应用效果进行观察和评价，结果显示通过相间短路方法进行电机运行的负序磁场模拟和研究，并对其负序电流下的阻尼回路电流以及感应电流频率进行计算表明，其阻尼回路电流的预测结果和试验分析结果具有较高的吻合度。由此可见，WAVE软件分析进行水轮发电机优化设计应用的效果更加显著。
3、结束语
总之，本文所提出的水轮发电机优化设计方案，在具体应用中不仅能对其设计空间进行有效扩大，实现水轮发电机设计方案的优化与改进，而且在促进其设计自动化发展中也具有十分显著的作用和效果，能够在实践中进行推广和应用。
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