電機(jī)試驗(yàn)站用同步電動(dòng)機(jī)的研制

張亞鴿，王肖肖

(中船重工電機(jī)科技股份有限公司，山西太原 030027)

0 引言

試驗(yàn)站用的同步電機(jī)是試驗(yàn)電源核心部件。本文介紹的7 500kVA 三相無刷勵(lì)磁同步電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱同步電機(jī))是我公司研制的，用于大型電機(jī)試驗(yàn)站，能完成5MW 以下功率電機(jī)。這其中包括船用發(fā)電機(jī)，電動(dòng)機(jī)及風(fēng)力發(fā)電機(jī)等直接負(fù)載法試驗(yàn)項(xiàng)目，以及10MW 以下功率電機(jī)間接法試驗(yàn)項(xiàng)目。定子繞組可實(shí)現(xiàn)1Y、1△、2Y、2△接線方式，可以輸出/輸入電壓等級(jí)為10.5 kV、6kV、5.2 kV、3 kV。同步機(jī)的主要參數(shù)包括額定容量:7 500kVA;額定電壓:10.5 kV/6 kV ;5.2 kV/3 kV;額定轉(zhuǎn)速:1 000r/min，1 200r/min;額定頻率:50Hz/60Hz;功率因素:0.7(滯后);效率:95.6% /95.3%;極數(shù):6 極。連接方式:1Y、1△;2Y、2△。

1 試驗(yàn)基本原理

同步電機(jī)與兩臺(tái)三相交流變頻調(diào)速異步電機(jī)組成試驗(yàn)電源機(jī)組，見圖1。

圖1 電源機(jī)組構(gòu)成簡(jiǎn)圖

同步電機(jī)作為大電機(jī)試驗(yàn)站的主要設(shè)備，具備兩種工作狀態(tài)。

1.1 當(dāng)被試電機(jī)為電動(dòng)機(jī)時(shí)，同步電機(jī)由圖1 所示的變頻機(jī)1 和變頻機(jī)2 拖動(dòng)，由外部勵(lì)磁柜為其勵(lì)磁機(jī)提供勵(lì)磁，勵(lì)磁機(jī)輸出三相交流電經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器整流后輸入主機(jī)轉(zhuǎn)子繞組給主機(jī)勵(lì)磁，同步電機(jī)輸出電功率，為被試電動(dòng)機(jī)提供電源，同步電機(jī)做發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)運(yùn)行，發(fā)電機(jī)原理結(jié)構(gòu)框圖見圖2。

圖2 發(fā)電機(jī)原理結(jié)構(gòu)框圖

1.2 當(dāng)被試電機(jī)為發(fā)電機(jī)時(shí)，同步電機(jī)作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，作為被試發(fā)電機(jī)的負(fù)載。同步電機(jī)首先由圖1 中的變頻機(jī)1 和變頻機(jī)2 拖動(dòng)做發(fā)電機(jī)運(yùn)行，與被試發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行后，通過減小變頻機(jī)1和變頻機(jī)2 輸入功率使拖動(dòng)轉(zhuǎn)速逐漸降低，使同步電機(jī)由發(fā)電機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱?dòng)機(jī)狀態(tài)。此時(shí)同步電機(jī)定子由被試電機(jī)提供對(duì)稱三相交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，外部勵(lì)磁柜為勵(lì)磁機(jī)供電使之發(fā)出三相交流電，并通過旋轉(zhuǎn)整流器整流并供給同步電機(jī)轉(zhuǎn)子，同步電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)要保持同步而旋轉(zhuǎn)。同步電機(jī)做為電動(dòng)機(jī)狀態(tài)運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)原理結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 電動(dòng)機(jī)原理結(jié)構(gòu)框圖

2 利用Ansoft/Maxwell2D 對(duì)電機(jī)進(jìn)行電磁場(chǎng)有限元分析

有限元仿真是基于對(duì)電機(jī)磁路分析的結(jié)果進(jìn)行的，是對(duì)磁路計(jì)算的的驗(yàn)證并對(duì)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化的依據(jù)。為把電機(jī)電磁場(chǎng)的三維恒定磁場(chǎng)問題轉(zhuǎn)化為二維非線性恒定場(chǎng)問題，現(xiàn)假設(shè):(1)電機(jī)軸向無限長(zhǎng);(2)電機(jī)氣隙、電機(jī)截面結(jié)構(gòu)沿主極軸線對(duì)稱;(3)略去電機(jī)電樞繞組端部漏磁。

2.1 創(chuàng)建Ansoft/Maxwell2D 幾何模型及分組

由于電機(jī)是6 極并且每極每相槽數(shù)為整數(shù)所以可以按鐵心截面的1/6 進(jìn)行建模(如圖4 所示)，這樣可以大大縮短仿真時(shí)間。對(duì)A、B、C 三相及勵(lì)磁繞組等進(jìn)行分組以便于下一步材料及激勵(lì)的設(shè)置。

圖4 電機(jī)幾何模型

2.2 材料設(shè)置及邊界條件

按照電機(jī)實(shí)際材料不同對(duì)電機(jī)各組材料進(jìn)行賦值。邊界條件要將電機(jī)的兩個(gè)扇形邊主從邊界設(shè)置為相反。

2.3 創(chuàng)建基本網(wǎng)格剖分圖

電機(jī)1/6 模型仿真前的有限元剖分圖見圖5。

圖5 電機(jī)有限元網(wǎng)格剖分圖

2.4 創(chuàng)建外電路

根據(jù)不同仿真目的對(duì)電機(jī)的外電路進(jìn)行設(shè)置。圖6 為同步電機(jī)作為發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)電路設(shè)置，其中上圖為勵(lì)磁繞組設(shè)置下圖為定子三相繞組外電路的設(shè)置。R4，R5，R6 設(shè)置為無限大電阻以模擬空載狀態(tài)。

圖6 發(fā)電機(jī)狀態(tài)外電路

圖7 為同步電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的外電路設(shè)置，在定子繞組三相繞組中串入激勵(lì)源。

圖7 電動(dòng)機(jī)狀態(tài)外電路

2.5 發(fā)電機(jī)狀態(tài)的空載電壓波形

2.5.1 磁場(chǎng)分布

圖8、圖9 為發(fā)電機(jī)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)的在某些時(shí)刻電機(jī)空載磁場(chǎng)的分布。

圖8 1.3UN 磁場(chǎng)分布

圖9 UN 磁場(chǎng)分布

2.5.2 空載電壓

發(fā)電機(jī)空載電壓仿真波形見圖10 和圖11。其中下圖為上圖的放大截圖。由電機(jī)的仿真結(jié)果可以直觀、準(zhǔn)確的看出電機(jī)設(shè)計(jì)是否科學(xué)合理。

由圖10 中可以看出電壓頻率為50Hz，峰值為6 100V 換算到有效值為4 313V。由圖11 可以看出電壓頻率為50Hz，峰值為4 500V 換算到有效值為3 182V。

以上兩組數(shù)據(jù)表明電機(jī)的仿真值接近預(yù)設(shè)值，只要對(duì)電機(jī)的勵(lì)磁進(jìn)行微調(diào)即可得到設(shè)計(jì)所需值。

圖10 1.3UN 空載相電壓波形

圖11 UN 空載相電壓波形

3 電磁及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 電磁設(shè)計(jì)按正常同步電機(jī)計(jì)算程序即可，需要特別指出的是為了適應(yīng)4 種額定電壓，最簡(jiǎn)便及合理的方法就是改變接線法。電磁設(shè)計(jì)按某個(gè)額定電壓進(jìn)行計(jì)算，其它電壓時(shí)只核實(shí)一下電磁負(fù)荷及性能是否合理即可。本文的同步電機(jī)以額定電壓為10.5kV、1Y、50Hz 進(jìn)行計(jì)算，并確定繞組有關(guān)參數(shù)及出幾號(hào)頭，改變接線法即可。

10kV 時(shí)為1Y，6kV 時(shí)1△;

5.2kV 時(shí)為2Y，3kV 時(shí)2△

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，冷卻方式、軸承結(jié)構(gòu)通風(fēng)結(jié)構(gòu)等都與正常同步電機(jī)相同，只是接線盒很大，應(yīng)當(dāng)有9 個(gè)接線端子(或6 個(gè))，需要特殊設(shè)計(jì)，也可以采用接線排結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語

本文介紹了同一套繞組適合4 種額定電壓是如何考慮的，應(yīng)該注意的是當(dāng)電機(jī)功率比較大時(shí)，由于額定電流大繞組導(dǎo)線截面積很大，給線圈加工帶來很大困難，為此采用增加并聯(lián)支路數(shù)以減小導(dǎo)線截面積還應(yīng)考慮到電機(jī)的極數(shù)、定子槽數(shù)等因素。

［1］ 許實(shí)章.電機(jī)學(xué).北京:高等教育出版社.1986.

［2］ 廖述智，李白雅.永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的仿真.防爆電機(jī)，2012.1.

［3］ 唐明，閻治安.永磁直線電動(dòng)機(jī)一種控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn).防爆電機(jī)，2006.6.

［4］ 張景利，楊日.交流交頻同步電動(dòng)機(jī)的研究.防爆電機(jī)，2013.2.

［5］ 張東宇，張勝男.永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)電磁設(shè)計(jì)及仿真分析.防爆電機(jī)，2014.3.