水輪發(fā)電機質(zhì)量控制設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明的目的是公開一種水輪發(fā)電機質(zhì)量控制設(shè)計方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是：針對水輪發(fā)電機，在除額定功率點外，多個不同功率點運行的工況，以及電機性能指標(biāo)對設(shè)計參數(shù)變化的敏感性，結(jié)合水輪發(fā)電機加工裝配工藝、運行工作環(huán)境、部件劣化磨損等實際情況，選取對水輪發(fā)電機電磁設(shè)計影響較大的變量作為待優(yōu)化設(shè)計變量，利用田口法對水輪發(fā)電機額定運行效率、加權(quán)平均效率及生產(chǎn)成本等設(shè)計目標(biāo)以及短路比、電抗保證值等性能約束構(gòu)建多指標(biāo)質(zhì)量控制設(shè)計模型，經(jīng)系統(tǒng)設(shè)計、參數(shù)設(shè)計、容差設(shè)計，最終獲得性能穩(wěn)定、運行可靠、成本低的水輪發(fā)電機，從而實現(xiàn)了在整個功率區(qū)間范圍內(nèi)水輪發(fā)電機高效運行，達(dá)到質(zhì)量與成本的最佳平衡。
【專利說明】水輪發(fā)電機質(zhì)量控制設(shè)計方法
[0001]【技術(shù)領(lǐng)域】:本發(fā)明涉及水輪發(fā)電機設(shè)計領(lǐng)域。特別是涉及一種水輪發(fā)電機質(zhì)量控制設(shè)計方法。
[0002]【背景技術(shù)】:目前，水力發(fā)電是人類社會應(yīng)用最廣泛的可再生能源。面對溫室氣體過度排放的威脅以及“節(jié)能減排”等政策的實施，水利發(fā)電，與火力發(fā)電相比，具有綠色、可再生的優(yōu)勢；與核能、太陽能、風(fēng)能等發(fā)電方式相比，具有低成本、技術(shù)成熟的優(yōu)勢，其已成為各國優(yōu)先考慮、且大規(guī)模開發(fā)的發(fā)電方式。
[0003]水輪發(fā)電機作為水力發(fā)電系統(tǒng)的重要部件之一，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系整個水力發(fā)電系統(tǒng)運行的成敗，因此水輪發(fā)電機設(shè)計及其優(yōu)化研究具有重要的意義。目前，常規(guī)水輪發(fā)電機設(shè)計已具有相對成熟的技術(shù)，但隨著巨型水輪發(fā)電機組、大型抽水蓄能機組需求的增力口，以及高水頭應(yīng)用場合的開發(fā)，水輪發(fā)電機設(shè)計技術(shù)需要不斷的更新發(fā)展，并逐步形成成熟的設(shè)計理念與方法。
[0004]電機是一個復(fù)雜的耦合系統(tǒng)，其各項性能之間相互影響，彼此制約，同時設(shè)計電機不僅要綜合考慮運行效率、制造成本等多種因素，還需兼顧電磁負(fù)荷、過載能力、轉(zhuǎn)矩特性、機械結(jié)構(gòu)、通風(fēng)發(fā)熱等復(fù)雜約束條件。另外，電機性能指標(biāo)對設(shè)計參數(shù)的變化非常敏感，受企業(yè)工序控制、生產(chǎn)流程等質(zhì)量管理水平的影響，電機性能出現(xiàn)不同程度地下降，存在一定的離散度，無法保證產(chǎn)品生產(chǎn)的一致性。因此，提出滿足國家標(biāo)準(zhǔn)、用戶要求以及特定約束條件的質(zhì)量控制設(shè)計方案，使電機綜合性能最優(yōu)，對解決電機性能指標(biāo)之間彼此沖突，保證電機優(yōu)質(zhì)高效運行具有重要意義。
[0005]傳統(tǒng)的質(zhì)量控制方法注重產(chǎn)品后期檢驗，具有很強的事后性，造成時間和資源的很大浪費，對預(yù)防不合格產(chǎn)品的發(fā)現(xiàn)缺乏有效控制。田口法是由日本著名學(xué)家TaguchiGenichi博士于上世紀(jì)70年代創(chuàng)立的一種科學(xué)有效的質(zhì)量控制設(shè)計方法和質(zhì)量管理技術(shù)。通過合理安排試驗方案，確定最佳參數(shù)組合，增強產(chǎn)品質(zhì)量特性對各種干擾的魯棒性，并最終實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量和成本的最佳平衡。田口法將整個設(shè)計過程分為三個階段，即系統(tǒng)設(shè)計、參數(shù)設(shè)計及容差設(shè)計，因此，其亦稱為三次設(shè)計法。該方法在科研與生產(chǎn)中已取得顯著的實際成效。
[0006]
【發(fā)明內(nèi)容】
:本發(fā)明旨在提高水輪發(fā)電機產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量，以提供一種提高水輪發(fā)電機額定運行效率與加權(quán)平均效率，降低電機生產(chǎn)成本，且滿足各項電氣與機械性能指標(biāo)的水輪發(fā)電機質(zhì)量控制設(shè)計方法。
[0007]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0008]1.一種水輪發(fā)電機質(zhì)量控制設(shè)計方法，包括如下步驟:
[0009](I)以凸極同步電機作為水輪發(fā)電機進(jìn)行質(zhì)量控制設(shè)計；
[0010](2)利用田口法作為水輪發(fā)電機質(zhì)量控制設(shè)計的方法；
[0011](3)選擇水輪發(fā)電機主要尺寸、定子槽數(shù)、并聯(lián)支路數(shù)、定子線圈股線尺寸、氣隙長度、轉(zhuǎn)子極靴尺寸和轉(zhuǎn)子極身尺寸中的各變量中的部分變量或全部變量作為水輪發(fā)電機待優(yōu)化設(shè)計變量；
[0012](4)選擇水輪發(fā)電機額定運行效率、加權(quán)平均效率及生產(chǎn)成本作為水輪發(fā)電機設(shè)計目標(biāo)，選擇短路比、電抗保證值作為水輪發(fā)電機性能約束，將上述設(shè)計目標(biāo)與性能約束共同作為水輪發(fā)電機輸出特性，構(gòu)成多指標(biāo)質(zhì)量控制設(shè)計模型；
[0013](5)確定步驟(3)中各待優(yōu)化設(shè)計變量的狀態(tài)個數(shù)及相應(yīng)取值，建立可控因素水平表，根據(jù)優(yōu)化變量個數(shù)及各變量狀態(tài)數(shù)選擇適當(dāng)?shù)恼槐?，?gòu)造內(nèi)正交表進(jìn)行內(nèi)設(shè)計；
[0014](6)考慮實際生產(chǎn)加工與裝配工藝水平、工作條件與運行環(huán)境、內(nèi)部劣化與運行磨損等因素影響，以這些因素造成的參數(shù)誤差作為噪音因素，確定各噪音因素的狀態(tài)個數(shù)及相應(yīng)取值，建立噪音因素水平表，根據(jù)噪音因素個數(shù)及各因素狀態(tài)數(shù)選擇適當(dāng)?shù)恼槐恚瑯?gòu)造外正交表進(jìn)行外設(shè)計；
[0015](7)將步驟(4)中各輸出特性分別處理為望小特性，對應(yīng)于內(nèi)正交表的每一個組合，把誤差因素配列于外正交表，計算由內(nèi)、外正交表確定試驗方案的輸出特性值及信噪比；
[0016](8)對步驟(7)獲得的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，檢驗設(shè)計參數(shù)顯著性程度，確定最佳參數(shù)組合；
[0017](9)以步驟(8)確定的最佳參數(shù)作為各優(yōu)化參數(shù)取值，進(jìn)一步確定各參數(shù)波動范圍，進(jìn)行容差設(shè)計；
[0018](10)按照最優(yōu)設(shè)計方案繪制水輪發(fā)電機定子、轉(zhuǎn)子、軸承、機架等各部套圖紙，線切割模具，沖模、疊壓、繞線、嵌線、浸漆及裝配，檢驗發(fā)電機實際運行指標(biāo)并與設(shè)計方案給出的指標(biāo)比較，如果實際運行的指標(biāo)超出運行指標(biāo)要求范圍，調(diào)整性能設(shè)計方案，重新進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。
[0019]所述的電機為凸極同步電機，電機由定子、轉(zhuǎn)子、軸承、機架等結(jié)構(gòu)組成，定子采用對稱三相短距、分布、條式波繞組，轉(zhuǎn)子上除勵磁繞組外，還裝有阻尼繞組，且阻尼繞組由阻尼條與阻尼環(huán)構(gòu)成閉合結(jié)構(gòu)。
[0020]步驟(5)所述的設(shè)計目標(biāo)的數(shù)學(xué)模型是:
[0021]
【權(quán)利要求】
1.一種水輪發(fā)電機質(zhì)量控制設(shè)計方法，其特征在于，包括如下設(shè)計步驟: (1)以凸極同步電機作為水輪發(fā)電機進(jìn)行質(zhì)量控制設(shè)計； (2)利用田口法作為水輪發(fā)電機質(zhì)量控制設(shè)計的方法； (3)選擇水輪發(fā)電機主要尺寸、定子槽數(shù)、并聯(lián)支路數(shù)、定子線圈股線尺寸、氣隙長度、轉(zhuǎn)子極靴尺寸和轉(zhuǎn)子極身尺寸中的各變量中的部分變量或全部變量作為水輪發(fā)電機待優(yōu)化設(shè)計變量； (4)選擇水輪發(fā)電機額定運行效率、加權(quán)平均效率及生產(chǎn)成本作為水輪發(fā)電機設(shè)計目標(biāo)，選擇短路比、電抗保證值作為水輪發(fā)電機性能約束，將上述設(shè)計目標(biāo)與性能約束共同作為水輪發(fā)電機輸出特性，構(gòu)成多指標(biāo)質(zhì)量控制設(shè)計模型； (5)確定步驟(3)中各待優(yōu)化設(shè)計變量 的狀態(tài)個數(shù)及相應(yīng)取值，建立可控因素水平表，根據(jù)優(yōu)化變量個數(shù)及各變量狀態(tài)數(shù)選擇適當(dāng)?shù)恼槐?，?gòu)造內(nèi)正交表進(jìn)行內(nèi)設(shè)計； (6)考慮實際生產(chǎn)加工與裝配工藝水平、工作條件與運行環(huán)境、內(nèi)部劣化與運行磨損等因素影響，以這些因素造成的參數(shù)誤差作為噪音因素，確定各噪音因素的狀態(tài)個數(shù)及相應(yīng)取值，建立噪音因素水平表，根據(jù)噪音因素個數(shù)及各因素狀態(tài)數(shù)選擇適當(dāng)?shù)恼槐?，?gòu)造外正交表進(jìn)行外設(shè)計； (7)將步驟(4)中各輸出特性分別處理為望小特性，對應(yīng)于內(nèi)正交表的每一個組合，把誤差因素配列于外正交表，計算由內(nèi)、外正交表確定試驗方案的輸出特性值及信噪比； (8)對步驟(7)獲得的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，檢驗設(shè)計參數(shù)顯著性程度，確定最佳參數(shù)組合； (9)以步驟(8)確定的最佳參數(shù)作為各優(yōu)化參數(shù)取值，進(jìn)一步確定各參數(shù)波動范圍，進(jìn)行容差設(shè)計； (10)按照最優(yōu)設(shè)計方案繪制水輪發(fā)電機定子、轉(zhuǎn)子、軸承、機架等各部套圖紙，線切割模具，沖模、疊壓、繞線、嵌線、浸漆及裝配，檢驗發(fā)電機實際運行指標(biāo)并與設(shè)計方案給出的指標(biāo)比較，如果實際運行的指標(biāo)超出運行指標(biāo)要求范圍，調(diào)整性能設(shè)計方案，重新進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水輪發(fā)電機質(zhì)量控制設(shè)計方法，其特征在于，所述的電機為凸極同步電機，電機由定子、轉(zhuǎn)子、軸承、機架等結(jié)構(gòu)組成，定子采用對稱三相短距、分布、條式波繞組，轉(zhuǎn)子上除勵磁繞組外，還裝有阻尼繞組，且阻尼繞組由阻尼條與阻尼環(huán)構(gòu)成閉合結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水輪發(fā)電機質(zhì)量控制設(shè)計方法，其特征在于，步驟(5)所述的設(shè)計目標(biāo)的數(shù)學(xué)模型是:./;="、=1-4 fi = Tk,η,(公式 i)
i=l
f 3 ^l^Mater."^~^2^Manuf.式中:f\為水輪發(fā)電機額定運行效率數(shù)學(xué)模型，為最大化問題， nN-7jc輪發(fā)電機額定運行效率； PLs—水輪發(fā)電機總損耗標(biāo)么值，總損耗包括鐵損耗、定子繞組銅耗、轉(zhuǎn)子繞組銅耗、勵磁系統(tǒng)損耗、通風(fēng)損耗、摩擦損耗和雜散損耗，其中，摩擦損耗為導(dǎo)軸承損耗和發(fā)電機部分承擔(dān)的推力軸承損耗； f2為水輪發(fā)電機加權(quán)平均效率數(shù)學(xué)模型，為最小化問題， Jlpki—分別為不同功率工況時，水輪發(fā)電機運行效率和相應(yīng)的權(quán)重； f3為水輪發(fā)電機生產(chǎn)成本數(shù)學(xué)模型，為最小化問題， WpW2—分別為水輪發(fā)電機有效材料成本和制造成本加權(quán)系數(shù)，可根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗確定不同的成本策略； cMater.、cManuf.——分別為水輪發(fā)電機有效材料成本和制造成本，有效材料成本主要包括硅鋼片、銅、絕緣材料、板材等成本，制造成本為發(fā)電機生產(chǎn)過程中，除有效材料成本外的其它成本。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水輪發(fā)電機質(zhì)量控制設(shè)計方法，其特征在于，步驟(5)至步驟(8)參數(shù)設(shè)計過程可進(jìn)行多輪設(shè)計，每進(jìn)行新一輪參數(shù)設(shè)計，都根據(jù)上一輪參數(shù)設(shè)計分析結(jié)果構(gòu)造新的可控因素水平表與內(nèi)正交表。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水輪發(fā)電機質(zhì)量控制設(shè)計方法，其特征在于，步驟(7)和步驟(8)分析多指標(biāo)設(shè)計結(jié)果是采用下述兩種方法中的一種: 第一種方法:首先以水輪發(fā)電機額定運行效率、加權(quán)平均效率、生產(chǎn)成本分別作為單性能指標(biāo)進(jìn)行獨立設(shè)計分析，在該分析過程中，當(dāng)以其中的一個指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計分析時，其它指標(biāo)作為約束條件，最后對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行綜合比較，基于博弈理論，權(quán)衡利弊，確定最佳的設(shè)計方案； 第二種方法:根據(jù)實際情況，依靠專業(yè)知識或現(xiàn)場經(jīng)驗將水輪發(fā)電機額定運行效率、加權(quán)平均效率、生產(chǎn)成本三個設(shè)計指標(biāo)轉(zhuǎn)化為單性能指標(biāo)確定最佳設(shè)計方案。
【文檔編號】G06F17/50GK103927408SQ201410077535
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年3月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月5日
【發(fā)明者】喬照威, 周波, 林雪成, 明野, 楊磊, 羅建華, 張興旺, 陳爽, 宋洪占, 魏玉國 申請人:哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司