300kvar高溫超導調相機樣機多場輸入部件模態分析

史正軍 梅桂華 宋萌 胡南南 李力

摘? 要：調相機在電網運行中提供動態無功補償，對于電網的穩定運行有著重要的作用。目前，一臺300kvar級高溫超導調相機樣機正在研制，由于其工作轉速1500rpm，需要對各個重要部件進行振動分析，以防出現危險。多場輸入部件是超導電機轉子進行冷卻和強弱電通流的重要結構，文章對樣機的多場輸入部件進行了振動特性分析，在靜止、正常工作、超速工作三個工況下分別計算了多場輸入部件的模態結果。根據仿真計算結果，分析在實際運轉中小樣機是否有進入模態發生共振的危險，以及在樣機實際工作時規避與模態階數相近的外界擾動，確保小型樣機能夠正常工作，為未來10Mvar級調相機的研制積累寶貴的設計經驗。

關鍵詞：超導調相機;模態分析;多場輸入部件;多工況分析

中圖分類號：TU995? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）04-0017-03

Abstract： Synchronous condenser plays an important role in supplementing reactive power in the operation of the grid. At present， a prototype of 300 kvar high-temperature superconducting synchronous condenser is under development. Considering its rotating speed of 1500 rpm， vibration analysis of various important components is required to prevent danger. The multi-field input structure is an important structure for the superconducting machine rotor to cool and the strong and weak current flow. In this paper， the vibration characteristics of the multi-field input structure of the small prototype are analyzed. Under the three conditions of static， normal operation and over speed operation， respectively. The modal results of the multi-field input structure are calculated. According to the simulation calculation results， it is analyzed whether the prototype has the danger of entering the modal resonance during the actual operation， and avoids the external disturbance similar to the modal order when the prototype is actually working， to ensure that the small prototype can work normally. For the future 10 Mvar class HTS condenser， the development of this prototype will accumulate valuable design experience.

Keywords： superconducting synchronous condenser; modal analysis; multi-field input structure; multi-case analysis

1 概述

同步調相機是一種在瞬態、暫態和穩態范圍內均可向電網提供無功補償的裝置，有望成為我國超高壓電網中動態無功補償設備的主導力量，特別是在直流換流站將發揮不可替代的作用[1-5]。

高溫超導材料具有高電流密度，零損耗的特點，應用到同步調相機的勵磁線圈后，可極大的減小勵磁繞組的損耗，延長使用壽命。超導同步調相機還可增大氣隙，減小同步電抗，增強電壓支撐能力。此外，超導電機還具有結構緊湊的優勢，可減小占地面積，降低工程建設成本。因此高溫超導同步調相機具有很強的技術優勢。美國、日本已經開展了超導同步調相機的研發工作，成功開發出了Mvar級工程樣機，并進行了測試和掛網運行[6-9]。

目前，南方電網公司正在開展一臺300kvar高溫超導同步調相機樣機研制，由于超導同步調相機的工作轉速較高，為1500rpm，高轉速下電機的轉速可能會出現轉動頻率與固有頻率相近或者相同的情況，此時結構會產生共振，使整個電機不能正常運轉[10]。因此，需要在結構設計時就驗證好結構的振動性質，以模態為主要參考。對本次研制的超導調相機小型樣機來說，多場輸入部件是出現振動的危險部分，需要進行嚴謹細致的仿真分析，才能驗證結構設計的合理性。

2 多場輸入部件概述

多場輸入部件是超導調相機在運行過程中負責冷氣輸入和強弱電輸入的結構，由于當前研制的調相機樣機通過冷氦氣進行傳導冷卻，同時電機的工作轉速較高（1500rpm），因此在進行結構設計中需注意旋轉密封的可靠性和高速旋轉下強弱出線端的穩定性。在設計方案中，多場輸入部件采用了近似軸對稱的結構，在中心處進行轉子的強弱電線路饋穿，氦氣管貫穿整體，且為多層嵌套，最內層輸入冷氦氣，外層輸出熱氦氣。如圖1所示，多場輸入部件主要包括了支撐軸、饋穿法蘭、多層氦氣管、電流引線、固定盤等。其中，支撐軸起整體支撐及放置轉動軸承的作用;饋穿法蘭上安裝航插，進行轉子強弱電的饋穿;氦氣管內層通入冷氦氣，外層導出熱氦氣;電流引線與強電航插連接，進行線圈通電;固定盤將電流引線、氦氣管等進行固定。此外，多場輸入部件還包括玻璃鋼支撐柱、波紋管、滾動軸承等結構件。

為了驗證此設計方案的合理性，需要對多場旋轉輸入結構進行模態分析。ANSYS軟件提供了七種模態的提取辦法，本研究中采用剛性臨界轉速計算的方法，來計算多場輸入部件的固有頻率[11]。計算固有頻率的目的是確認該部件在工作頻率及以下時不會達到結構的固有頻率，發生不必要的振動危險。

3 分析準備

3.1 模型簡化

為了提高計算效率，同時提高有限元網格的質量，需要在對可靠性無較大影響的情況下對模型進行一定的簡化，同時在進行網格劃分時注意網格的疏密度和合理性。在進行多場輸入部件的模型簡化時，由于貫穿的多層液氮管在設計方案中是位于旋轉軸的正中心，因此在實際工作時對軸向振動沒有影響，在進行模態分析前可以直接去掉。同時，弱電航空插座由于結構比較復雜，尺寸較小，同時在饋穿法蘭上對模態結果沒有明顯影響，也可簡化。

在進行網格劃分時，采用Ansys Workbench的自適應網格劃分方法，最大網格尺寸不超過8mm，優先選擇四面體網格，形狀均勻的區域可以使用六面體網格提高計算速率。

3.2 邊界條件

對多場輸入部件邊界條件的確定，主要是通過支撐軸上的兩個滾動軸承來實現的。軸承的約束不能直接簡化為剛性支撐，應考慮彈性的影響，因此需要在軸承軸線方向開放自由度[12]，在ANSYS Workbench中，可直接將滾動軸承外側的兩個圓面通過Frictionless Support這一約束方式約束住，即確定了由軸承支撐整體結構進行旋轉的運動方式。同時，電流引線在結構中雖然是端部可以彎曲的，但是實際運行中電流引線端部由于通流的連接會被約束住，因此模態計算中將端面使用Fixed Support約束方式進行約束。多場輸入部件中的接觸面均為固結，因此在模型中對所有的接觸面定義Bonded接觸條件。

在進行模態計算時，分別計算靜止狀態、轉速1500rpm、轉速2000rpm三種工況下的模態結果，以計算在電機靜止、電機正常工作、電機超速工作三種情況下的多場輸入部件模態的狀況。

4 計算結果

4.1 結果概述

通過以上的網格劃分、邊界條件選取、工況確定，最終仿真計算得到了三種工況下多場輸入部件的模態結果。每一種工況的計算用時5分鐘，未出現計算不收斂的情況。在統計結果時，發現Ansys Workbench在計算本模型時，由于一些零件是軸對稱的，在相似的頻率下雖然計算出了多個階數，但實際振動形式類似，因此需要將計算模態的階數范圍調至30階，再將相似的頻率合并，最終可以得到前8階的振動模態計算結果。

4.2 靜止情況下計算結果

靜止情況主要是為了計算在電機靜置時，電機的固有頻率情況，以規避危險的外界擾動。結果表明此工況下多場輸入部件的前四階模態分別為131Hz、219Hz、227Hz、235Hz。因此在電機靜置時需要規避130Hz左右的擾動。由于電機的正常工作頻率為20-40Hz，因此電機在啟動時不會出現共振的情況，比較安全。1階模態下多場輸入部件的危險點在玻璃鋼柱上，因此實際裝配時需要對玻璃鋼柱的固定進行仔細檢查。

4.3 1500rpm轉速下計算結果

1500rpm下的工況是模擬電機正常工作時多場輸入部件的振動性質。經過計算，1500rpm下的多場輸入部件模態與0rpm下的工況計算結果相似，沒有較大的變化，在電機運轉時需要規避模態附近頻率的擾動。

4.4 2000rpm轉速下計算結果

此工況是計算在轉速超出了正常工作范圍時，電機多場輸入部件的模態情況。經過計算，模態結果和前兩種工況依然類似。圖2為2000rpm工況下235Hz時多場輸入部件模態。

5 結論

小樣機多場輸入部件的模態分析主要是為了確認結構設計的振動特性，以預估該設計方案在實際工作中是否可能存在共振等問題。在計算中，劃分了三種典型的工況：靜止狀態、正常工作狀態、超速工作狀態，以確定在各種不同的工作狀態下多場輸入部件的模態是否存在著變化，以及不同工作狀態下是否會存在著運轉不穩定的隱患。本文對300kvar高溫超導調相機的小型樣機多場輸入部件進行了振動特性分析，得到了以下結論：

（1）通過三種工況的模態分析，發現多場輸入部件的模態并不明顯受到轉速的影響，在工作中無論在何種轉速下，都要規避130Hz、219Hz、235Hz等頻率的擾動，以免出現危險。由于電機正常運轉是在20-40Hz的范圍，因此多場輸入部件并不會進入任意的共振狀態，機器的運行是平穩的。

（2）通過分析最終計算得到的云圖，多場輸入部件在一階模態時內部的玻璃鋼柱是振動幅度最大的部位，在其他的高階模態下，雖然其他部位也會有振動，但是玻璃鋼柱是主要危險區域。

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