發(fā)電電動機空載電勢波形與阻尼結(jié)構(gòu)影響研究

馬明聰 李鎮(zhèn)東

摘要：本文基于場路耦合法建立了計算阻尼繞組電流及其各次諧波的數(shù)學(xué)模型，從氣隙磁場分析入手，推導(dǎo)出了阻尼繞組感應(yīng)電勢的表達式。以額定功率為150MW發(fā)電電動機為例，建立了時步有限元計算物理模型，通過發(fā)電電動機在不同工況下運行時阻尼繞組電流的計算與分析，揭示了兩種阻尼結(jié)構(gòu)下阻尼繞組電流及各次諧波的分布特性。

關(guān)鍵詞：發(fā)電電動機;阻尼繞組;電壓波形畸變率;阻尼電流

1.??? 阻尼電流與空載電勢計算

1.1? 發(fā)電電動機基本參數(shù)和物理模型

本文以某150MW30極發(fā)電電動機為研究對象，本文選取一對磁極進行建模，基本參數(shù)如下。

額定功率：145200kW

額定電壓：13800V

額定電流：6903.1A

每極阻尼條數(shù)：8

1.2? 基本假設(shè)

為了簡化計算，做出以下假設(shè)：

（1）???? 忽略位移電流，即電磁場為似穩(wěn)場;

（2）???? 材料為各向同性，忽略鐵磁材料的磁滯效應(yīng);

（3）???? 近似認(rèn)為電機氣隙磁場沿軸向不變，可將三維磁場轉(zhuǎn)化為二維磁場來處理。

1.3? 建立數(shù)學(xué)模型

根據(jù)假定，仿真分析瞬態(tài)磁場時，根據(jù)結(jié)構(gòu)對稱性，建立一個極下的截面模型作為求解域。在求解區(qū)域內(nèi)，用矢量磁位A表述的二維電磁場問題滿足二維泊松方程

式1中，v為磁阻率;J為源電流密度;為渦流電密，其他說明如下：

（1）???? 定轉(zhuǎn)子鐵心、定子繞組和氣隙區(qū)域

忽略鐵心中的渦流效應(yīng)，定轉(zhuǎn)子鐵心、定子繞組和氣隙中的Js=0，

（2）???? 轉(zhuǎn)子勵磁繞組區(qū)域

根據(jù)轉(zhuǎn)子勵磁電路可寫出轉(zhuǎn)子電壓方程

式4中，ef為勵磁繞組的感應(yīng)電動勢;Nf為勵磁繞組串聯(lián)匝數(shù);lm極身長度;a為勵磁繞組并聯(lián)支路數(shù);S為勵磁區(qū)域面積

（3）???? 轉(zhuǎn)子阻尼繞組區(qū)域

轉(zhuǎn)子阻尼繞組的電路，阻尼條中電流只有軸向分量，設(shè)第k根阻尼條兩端感應(yīng)電動勢為uk，電流為ik離散后得

由基爾霍夫定律根據(jù)求解區(qū)域阻尼導(dǎo)條數(shù)，區(qū)域邊界處阻尼條電流

求解以上的方程組，即可得到不同時刻的感應(yīng)電勢值。

2計算結(jié)果

根據(jù)發(fā)電電動機阻尼繞組結(jié)構(gòu)，分別對全阻尼繞組、半阻尼繞組以及無阻尼情況進行時步有限元分析。在發(fā)電電動機空載運行時，氣隙中只存在轉(zhuǎn)子勵磁電流激勵的主極磁場。

2.1? 電壓諧波畸變率

得到空載電勢后，對其諧波分解求得其各次諧波，分別算出三種情況電壓波形畸變率如表2所示。

根據(jù)數(shù)據(jù)對比，全阻尼結(jié)構(gòu)的空載電勢波形畸變率最低。

2.2? 阻尼繞組電流

將所得阻尼繞組電流波形進行諧波分解，其各次諧波中24次諧波為主要諧波，其他次諧波可忽略不計，全阻尼繞組電流24次諧波幅值和半阻尼繞組電流24次諧波幅值如表3和表4。

由全阻尼繞組和半阻尼繞組阻尼電流進行對比可發(fā)現(xiàn)，諧波分解同樣主要成分為齒諧波次數(shù)24次。空載狀況磁場分布均勻，阻尼電流大小成中心對稱趨勢。兩種情況區(qū)別在于，全阻尼結(jié)構(gòu)情況下，兩側(cè)阻尼條中阻尼電流大于半阻尼結(jié)構(gòu)，中間4、5號阻尼條阻尼電流半阻尼結(jié)構(gòu)中的偏大。

3.結(jié)論

本文建立了二維時步有限元模型，計算出某150MW發(fā)電電動機的空載電勢波形，并求出不同結(jié)構(gòu)下的空載電勢波形畸變率，其中全阻尼結(jié)構(gòu)的畸變率最低，波形最好。然后計算不同結(jié)構(gòu)阻尼繞組分別在空載工況下的阻尼繞組電流并進行諧波分解。在空載運行時，半阻尼結(jié)構(gòu)下阻尼繞組由基爾霍夫定律根據(jù)求解區(qū)域阻尼導(dǎo)條數(shù)，區(qū)域邊界處阻尼條電流

參考文獻：

[1]?? 李哲生.改善凸極同步發(fā)電機空載電勢波形的措施[J].哈爾濱電

[2]?? 李槐樹，李朗如，讓余奇.阻尼繞組對凸極同步發(fā)電機空載電勢波形的影響[J].電機與控制學(xué)報，2003，7（4）：267-271.

[3]?? 李哲生.凸極發(fā)電電動機阻尼繞組對定子磁勢諧波的阻尼系數(shù)[J].大電機技術(shù)，1981，（2）：10-16.

[4]?? 李朗如，馬志云，李杰，等.5000kW凸極交交變頻同步電動機阻尼繞組的分析研究[J].上海電機廠科技情報，1995，（4）：1-14.

[5]周哲.1000M水輪發(fā)電機空載電勢波形的分析[D].哈爾濱理工大學(xué)，2011.

作者簡介：

姓名：馬明聰/ 李鎮(zhèn)東，出生年月：1993.12.20/1983.9.25，性別：男，民族：漢，籍貫：山東省臨朐市/ 山東省青島市，學(xué)歷：本科/ 大專，職稱：助理工程師/ 電氣助理工程師，研究方向：電機電氣