100 MW級同步發電機仿真教學實踐

2022-09-05 09:26:28寧銀行

電氣電子教學學報 2022年4期

寧銀行

(上海電機學院電氣學院，上海 201306)

“電機學”是電氣工程類專業的一門基礎課程[1]，主要介紹變壓器、直流電機、異步電機、同步電機等設備的結構、原理、運行特性和參數測定。“電機學”課程中涉及到具有時間屬性、空間屬性、運動屬性等多種類型的物理量，內容抽象[2]。雖然傳統實物實驗在一定程度上，能夠增強對“電機學”理論的理解，但是由于受到多種因素的影響，導致某些很有必要的實驗項目要么是實驗技術上難以實現，要么是出于人身安全或實驗設備壽命的考慮而簡化了實驗，這直接影響了工程實踐技能的培養效果[3-5]。

隨著高等教育改革的深入，雖然壓縮了部分傳統課程的課時，但是鼓勵開設創新性的課程[6]；也鼓勵在教學中引入仿真技術，把抽象的理論問題形象化[7]，同時彌補了實物實驗條件不足的缺憾[8]，促進課程教學的改革[9]。

上海電機學院積極響應教育部推進的虛擬仿真實驗項目建設，新開設了“電機學”仿真實驗課——“ANSYS項目設計”。目前，以Ansoft maxwell、Jmag、Flux為代表的電磁仿真軟件，已在科學研究或企業產品設計中廣泛應用，為仿真實驗教學提供了技術保障[10]。

以同步發電機為例，介紹了電機仿真實驗設計，涉及電機建模、磁場分布、感應電勢、空載特性、運行特性和參數計算。

1 項目設計

1.1 電機參數

根據教學需要，建立同步電機的仿真工程項目。其中表1和表2分別是本實例電機的主要技術參數和設計參數。

表1 技術參數

表2 設計參數

1.2 仿真建模

1)幾何模型

按照結構型式，同步電機可分為旋轉電樞式結構和旋轉磁極式兩類。對于旋轉磁極式，按照磁極形狀，又可分為凸極式和隱極式結構。圖1是隱極同步電機仿真模型。主磁極位于轉子上，實際工作時，通過電樞和集電環為轉子上的勵磁繞組供電。

圖1 隱極同步電機仿真模型

由該電機的結構可知，磁場是二維分布，即認為沿軸向上各水平截面上的磁場分布是相同的，因此可以采用二維仿真模型，來等效實際的電機，降低計算量。

2)繞組設計

交流繞組是電機的主要部件，繞組設計受到多種因素的影響，即使是相同的極槽配合，繞組設計也并不是唯一的。

圖2是根據表1和表2設計的繞組，采用雙層繞組設計，60度相帶，分別是A、Z、B、X、C、Y相帶，并聯支路數為1，星形聯結。每極每相槽數q=36/(2*3)=6，槽距角α=360p/(2pmq)=10°。圖中僅示出了線圈的上層邊，根據節距值y1=14(以槽數計)，即可確定各線圈上層邊對應的下層邊。

圖2 雙層繞組設計

繞組系數kwv值反映了基波的利用程度和諧波的抑制效果，是交流繞組設計的重要考量。基波電勢及諧波電勢的繞組系數kwv統一計算式為

kwv=kpvkdv

(1)

式中節距因數kpv、分布因數kdv分別為

(2)

(3)

其中節距y1=14(以槽數計)，極距τ=18(以槽數計)，槽距角α=10°(電角度)。v=1時的kwv是基波系數，其它v(v=3、5、7……)時的kwv是諧波系數。

2 電磁計算

2.1 磁場分布

圖3是電機達到額定電壓，且空載時的磁力線分布圖。電機轉子由直流勵磁形成一對主磁極，主磁場通過定轉子之間的氣隙，而與定子上的電樞繞組相交鏈。

圖3 磁力線分布(勵磁電流iF=575 A)

圖4是電機空載時的氣隙磁密，磁密幅值約為0.83 T。仿真計算的氣隙磁密波形與教材中的理想正弦波形并非完全一致，這是因為仿真軟件較為精確地考慮了定轉子的齒槽效應，而后者假設定子表面光滑無齒槽。

圖4 氣隙磁密(勵磁電流iF=575 A)

2.2 感應電勢

當轉子被原動機拖動旋轉，主磁場便在氣隙中形成一個旋轉磁場，切割定子導體后，產生感應電勢。相繞組基波電勢有效值EΦ1計算如式(4)。

(4)

在空載運行仿真中，使轉子激勵不變，通過改變相關參數(頻率f、每相總串聯匝數N、繞組因數kw1、極距τ、電機軸向長度l等)，觀察每極磁通Φ1、氣隙磁密基波分量幅值B1、相電勢EΦ1的變化，理解繞組設計及其影響因素。

圖5是線圈導體和線圈感應電勢波形。顯然導體感應電勢的諧波含量較大，線圈電勢波形相對有所改善。這是因為單個線圈電勢是兩個導體電勢(含基波電勢和諧波電勢)的合成，諧波分量的節距因數相對較小，實現諧波抑制的效果。

圖5 導體和線圈感應電勢(勵磁電流iF=575 A)

圖6是電機空載時相繞組感應電勢。相繞組電勢是2q個線圈感應電勢的合成，因此在節距因數的基礎上，進一步施加分布因數的諧波抑制，使相電勢的諧波含量進一步降低。從諧波抑制的角度看，希望通過合理的繞組設計，使基波系數盡可能大，而諧波系數盡可能小。

可以看出圖6的感應電勢波形正弦度較好。對比氣隙磁密(圖4)和感應電勢波形(圖6)，表明繞組設計較好的抑制了諧波，具體表現為；氣隙磁密的總諧波失真THD(Total Harmonic Distortion)為4.35%，而相電勢的THD為0.55%。

圖6 感應電勢(勵磁電流iF=575 A)

2.3 短路特性和空載特性

圖7示出實例電機的短路特性和空載特性。圖中對于短路特性，縱坐標刻度值是電流標幺值；對于空載特性，縱坐標刻度值是電壓標幺值。

隨著轉子勵磁電流的增加，使主磁路的磁飽和程度加大，相同勵磁電流產生磁場的能力下降，空載特性發生彎曲，偏離線性區斜率的氣隙線；短路時，由于電樞反應磁場和轉子主磁場方向相反，主磁路欠飽和，處于線性區，短路特性是一條直線。

圖7 短路特性和空載特性

空載特性和短路特性雖然簡單，但是用途較大，是電機的基本實驗。通過空載特性，可以判斷勵磁以及電樞繞組聯結是否正確，了解磁路的磁飽和情況，求解電機的電抗。

磁飽和系數kμ和短路比Kc是與空載特性、短路特性相關的兩個重要物理量。

短路比是Kc=If0/Ifk，其中Ifk是短路電樞電流達到額定值時的勵磁電流。查圖7中的短路特性可知，Ifk=908 A，因此實例電機的短路比Kc=If0/Ifk=575/908=0.63。

短路比一般比1小，短路比大說明短路電流大，同步電抗小。同時同步電抗小也說明所需的勵磁容量大，用銅量大，造價高，但是對系統穩定性有利。

2.4 并網運行特性

1)有功功率調節

仿真時，實例電機接到固定電壓、固定頻率的無窮大電網上，并保持勵磁不變(即電勢E0不變)，僅調節電機的輸入功率。為研究電機有功功率的調節特性，給出電磁功率與功角的關系式(5)。

(5)

根據式(5)可知，在電網電壓U和勵磁電勢E0均不變的前提下，調節有功功率，則引起功角的變化，反過來也可以說，功角的變化引起電機輸出功率變化。仿真實例電機功角δ和電機輸出功率的對應關系，如圖8所示，額定功率PN=100000 kW時，功角δN=32.8°，過載能力kp=1.85，符合經驗范圍(δN約為30°～40°，kp約為2～1.6)。