發電電動機空載電勢波形與阻尼結構影響研究

馬明聰 李鎮東

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學模型，從氣隙磁場分析入手，推導出了阻尼繞組感應電勢的表達式。以額定功率為150MW發電電動機為例，建立了時步有限元計算物理模型，通過發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，揭示了兩種阻尼結構下阻尼繞組電流及各次諧波的分布特性。

關鍵詞：發電電動機;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? 發電電動機基本參數和物理模型

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

額定功率：145200kW

額定電壓：13800V

額定電流：6903.1A

每極阻尼條數：8

1.2? 基本假設

為了簡化計算，做出以下假設：

（1）???? 忽略位移電流，即電磁場為似穩場;

（2）???? 材料為各向同性，忽略鐵磁材料的磁滯效應;

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

1.3? 建立數學模型

根據假定，仿真分析瞬態磁場時，根據結構對稱性，建立一個極下的截面模型作為求解域。在求解區域內，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）???? 定轉子鐵心、定子繞組和氣隙區域

忽略鐵心中的渦流效應，定轉子鐵心、定子繞組和氣隙中的Js=0，

（2）???? 轉子勵磁繞組區域

根據轉子勵磁電路可寫出轉子電壓方程

式4中，ef為勵磁繞組的感應電動勢;Nf為勵磁繞組串聯匝數;lm極身長度;a為勵磁繞組并聯支路數;S為勵磁區域面積

（3）???? 轉子阻尼繞組區域

轉子阻尼繞組的電路，阻尼條中電流只有軸向分量，設第k根阻尼條兩端感應電動勢為uk，電流為ik離散后得

由基爾霍夫定律根據求解區域阻尼導條數，區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電勢值。

2計算結果

根據發電電動機阻尼繞組結構，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。在發電電動機空載運行時，氣隙中只存在轉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。

根據數據對比，全阻尼結構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現，諧波分解同樣主要成分為齒諧波次數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。兩種情況區別在于，全阻尼結構情況下，兩側阻尼條中阻尼電流大于半阻尼結構，中間4、5號阻尼條阻尼電流半阻尼結構中的偏大。

3.結論

本文建立了二維時步有限元模型，計算出某150MW發電電動機的空載電勢波形，并求出不同結構下的空載電勢波形畸變率，其中全阻尼結構的畸變率最低，波形最好。然后計算不同結構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，半阻尼結構下阻尼繞組由基爾霍夫定律根據求解區域阻尼導條數，區域邊界處阻尼條電流

參考文獻：

[1]?? 李哲生.改善凸極同步發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電機空載電勢波形的影響[J].電機與控制學報，2003，7（4）：267-271.

[3]?? 李哲生.凸極發電電動機阻尼繞組對定子磁勢諧波的阻尼系數[J].大電機技術，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水輪發電機空載電勢波形的分析[D].哈爾濱理工大學，2011.

作者簡介：

姓名：馬明聰/ 李鎮東，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