用有限元法計算300 MW六相同步發(fā)電機短路電流和電磁轉(zhuǎn)矩

張春莉，王立芳

(1. 水力發(fā)電設備國家重點實驗室， 黑龍江哈爾濱　150040

2. 哈爾濱電機廠有限責任公司， 黑龍江哈爾濱　150040)

用有限元法計算300 MW六相同步發(fā)電機短路電流和電磁轉(zhuǎn)矩

張春莉1,2，王立芳1,2

(1. 水力發(fā)電設備國家重點實驗室， 黑龍江哈爾濱150040

2. 哈爾濱電機廠有限責任公司， 黑龍江哈爾濱150040)

摘要：針對六相同步發(fā)電機定子繞組采用雙Y移30°相帶繞組結(jié)構(gòu)進行了分析。指出此種結(jié)構(gòu)定子上裝設有兩套Y接的三相繞組，兩套繞組在空間上錯開30°電角度，且有磁耦聯(lián)系，其短路暫態(tài)比較復雜，6個出線端共有17種不同的短路工況。利用有限元法對300 MW六相同步發(fā)電機不同短路工況進行了計算與分析，獲得了相應的短路電流和電磁轉(zhuǎn)矩，同時指出了最嚴重短路工況的狀態(tài)，方便工程應用。

關(guān)鍵詞：同步發(fā)電機；六相；雙Y移30°；短路電流；電磁轉(zhuǎn)矩；有限元法

0引言

對大容量同步電機來講，設計為正常三相連接時，電壓較高對定子線圈主絕緣要求較高，槽電流很大會使定子線圈受到強大的交變電磁力。因此，要求對線圈的槽部及端部有可靠的固定方式以防止由于電磁振動引起的損壞。采用六相繞組是解決這個問題的有效方法之一。由于目前電網(wǎng)都是三相系統(tǒng)，因此采用多相繞組發(fā)電機時，必須配合多相變?nèi)嗟淖儔浩??？紤]到從發(fā)電機連接到變壓器的母線數(shù)量和不使變壓器結(jié)構(gòu)過于復雜，同時對應用變頻器調(diào)節(jié)場合，在六相繞組中以采用六相雙Y移30°相帶繞組具有現(xiàn)實意義。

在一定的電機容量下，采用六相雙Y移30°定子繞組主要具有以下優(yōu)點：1)可以自由選擇電壓，允許采用較低電壓：2)較小槽電流而減少繞組的電磁振動；3)定子磁勢諧波含量顯著減少，因而轉(zhuǎn)子表面損耗顯著減??；4)能提高繞組系數(shù)而提高電機有效材料利用率。

由于六相電機定子有兩套繞組，而且兩套繞組又有磁耦聯(lián)系，其短路暫態(tài)十分復雜。其6個出線端共有17種不同的短路工況，其中6種屬于對稱短路，11種屬于不對稱短路，需要對其不同短路工況進行計算與分析。此研究目前記載的文獻采用是解析的計算方法[1-4]，目前隨著計算手段的提高，文章采用有限元法對其進行具體分析，可以避免由于某些參數(shù)選取不當帶來的誤差，計算結(jié)果精度更高。

1300 MW六相同步發(fā)電機定子繞組結(jié)構(gòu)

文章所研究的300 MW六相同步發(fā)電機定子繞組采用雙Y移30°形式對電機內(nèi)部來說，定子線槽沿內(nèi)圓每對極距內(nèi)等分為12個相帶，每一相帶的寬度為30°電角度。對電機外部來說，把12個相帶結(jié)成兩個獨立的三相Y型連接，每個星型的每一相由相距180°電角度的2個相帶構(gòu)成。2個三相Y型之間在空間上彼此位移30°電角度[5]。我們將這種繞組稱為“雙Y移30°繞組”，其分布示意如圖1。

2300 MW六相同步發(fā)電機有限元模型的建立

首先建立300 MW六相同步發(fā)電機的幾何模型，如圖2所示。由于300 MW六相同步發(fā)電機定子每極每相槽數(shù)為整數(shù)，因此有限元計算中建立了一個極。這樣可以節(jié)省計算時間并方便與外電路耦合求解。定義發(fā)電機定子外表面I為一類齊次邊界條件，AB、HG、CD、FE定義為半周期邊界條件。

(1)

式中：A為矢量磁位；ν為材料的磁阻率；J為外加電流密度。

圖2　300 MW六相同步發(fā)電機幾何模型

300 MW六相同步發(fā)電機剖分網(wǎng)格如圖3。

圖3　300 MW六相同步發(fā)電機剖分網(wǎng)格

同時為了模擬脈沖發(fā)電機17種短路工況，需要在有限元模型基礎(chǔ)上搭建外電路，模型如圖4，以考慮定子繞組端部效應、輸電線路的影響。其中Lphasea1、Lphaseb1、Lphasec1、Lphasea2、Lphaseb2和Lphasec2為定子每相繞組有限元模塊；Ra1、Rb1、Rc1、Ra2、Rb2、Rc2為定子繞組每相電阻；Lea1、Leb1、Lec1、Lea2、Leb2、Lec2為定子繞組每相端部漏電感；RLa1與LLa1、RLb1與LLb1、RLc1與LLc1、RLa2與LLa2、RLb2與LLb2、RLc2與LLc2為每相負載電阻和電感；用開關(guān)S_a1、S_b1、S_c1、S_a2、S_b2、S_c2、S_a1a2、S_a1b2、S_a1c2、S_b1a2、S_b1b2、S_b1c2、S_c1a2、S_c1b2和S_c1c2的動作來模擬不同的短路。

圖4　300 MW六相同步發(fā)電機外電路模型

317種短路分析

在已建立的300 MW六相發(fā)電機有限元方法基礎(chǔ)上，通過分析獲得正?？蛰d工況下某一時刻磁場分布如圖5。同時對其在空載狀態(tài)下17種短路情況進行了計算與分析，每種短路工況獲得的最大電流和最大轉(zhuǎn)矩結(jié)果見表1。

圖5　300 MW六相發(fā)電機某一時刻空載磁場分布

表1　17種空載短路電流和電磁轉(zhuǎn)矩的最大值

4結(jié)語

參考文獻

[1] 溫增銀、胡會駿，六相雙Y移30°相帶繞組同步電機短路的暫態(tài)過程[J].華中工學院學報， 1974(4).

[2] 許實章、李朗如、馬志云等，六相雙Y移30°繞組同步發(fā)電機突然短路電流和電磁轉(zhuǎn)矩的理論分析[J].華中工學院學報， 1978(2).

[3] 溫增銀、胡會駿.六相雙Y移30°相帶繞組同步電機的不對稱短路[J].華中工學院學報， 1978(1).

[4] 李朗如，許實章，代曉寧等，六相雙Y移30°繞組同步發(fā)電機突然短路電流和電磁轉(zhuǎn)矩的試驗研究[J].華中工學院學報，1979(2).

[5] 劉洪文.六相雙Y移30°繞組結(jié)構(gòu)及其應用優(yōu)勢[J].防爆電機，2010(4).

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