用有限元法计算300 MW六相同步发电机短路电流和电磁转矩

2015-02-23张春莉王立芳

上海大中型电机 2015年2期

关键词：短路电流有限元法

张春莉，王立芳

(1. 水力发电设备国家重点实验室，黑龙江哈尔滨　150040

2. 哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨　150040)

用有限元法计算300 MW六相同步发电机短路电流和电磁转矩

张春莉1,2，王立芳1,2

(1. 水力发电设备国家重点实验室，黑龙江哈尔滨150040

2. 哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150040)

摘要：针对六相同步发电机定子绕组采用双Y移30°相带绕组结构进行了分析。指出此种结构定子上装设有两套Y接的三相绕组，两套绕组在空间上错开30°电角度，且有磁耦联系，其短路暂态比较复杂，6个出线端共有17种不同的短路工况。利用有限元法对300 MW六相同步发电机不同短路工况进行了计算与分析，获得了相应的短路电流和电磁转矩，同时指出了最严重短路工况的状态，方便工程应用。

关键词：同步发电机；六相；双Y移30°；短路电流；电磁转矩；有限元法

0引言

对大容量同步电机来讲，设计为正常三相连接时，电压较高对定子线圈主绝缘要求较高，槽电流很大会使定子线圈受到强大的交变电磁力。因此，要求对线圈的槽部及端部有可靠的固定方式以防止由于电磁振动引起的损坏。采用六相绕组是解决这个问题的有效方法之一。由于目前电网都是三相系统，因此采用多相绕组发电机时，必须配合多相变三相的变压器。考虑到从发电机连接到变压器的母线数量和不使变压器结构过于复杂，同时对应用变频器调节场合，在六相绕组中以采用六相双Y移30°相带绕组具有现实意义。

在一定的电机容量下，采用六相双Y移30°定子绕组主要具有以下优点：1)可以自由选择电压，允许采用较低电压：2)较小槽电流而减少绕组的电磁振动；3)定子磁势谐波含量显著减少，因而转子表面损耗显著减小；4)能提高绕组系数而提高电机有效材料利用率。

由于六相电机定子有两套绕组，而且两套绕组又有磁耦联系，其短路暂态十分复杂。其6个出线端共有17种不同的短路工况，其中6种属于对称短路，11种属于不对称短路，需要对其不同短路工况进行计算与分析。此研究目前记载的文献采用是解析的计算方法[1-4]，目前随着计算手段的提高，文章采用有限元法对其进行具体分析，可以避免由于某些参数选取不当带来的误差，计算结果精度更高。

1300 MW六相同步发电机定子绕组结构

文章所研究的300 MW六相同步发电机定子绕组采用双Y移30°形式对电机内部来说，定子线槽沿内圆每对极距内等分为12个相带，每一相带的宽度为30°电角度。对电机外部来说，把12个相带结成两个独立的三相Y型连接，每个星型的每一相由相距180°电角度的2个相带构成。2个三相Y型之间在空间上彼此位移30°电角度[5]。我们将这种绕组称为“双Y移30°绕组”，其分布示意如图1。

2300 MW六相同步发电机有限元模型的建立

首先建立300 MW六相同步发电机的几何模型，如图2所示。由于300 MW六相同步发电机定子每极每相槽数为整数，因此有限元计算中建立了一个极。这样可以节省计算时间并方便与外电路耦合求解。定义发电机定子外表面I为一类齐次边界条件，AB、HG、CD、FE定义为半周期边界条件。

(1)

式中：A为矢量磁位；ν为材料的磁阻率；J为外加电流密度。

图2　300 MW六相同步发电机几何模型

300 MW六相同步发电机剖分网格如图3。

图3　300 MW六相同步发电机剖分网格

同时为了模拟脉冲发电机17种短路工况，需要在有限元模型基础上搭建外电路，模型如图4，以考虑定子绕组端部效应、输电线路的影响。其中Lphasea1、Lphaseb1、Lphasec1、Lphasea2、Lphaseb2和Lphasec2为定子每相绕组有限元模块；Ra1、Rb1、Rc1、Ra2、Rb2、Rc2为定子绕组每相电阻；Lea1、Leb1、Lec1、Lea2、Leb2、Lec2为定子绕组每相端部漏电感；RLa1与LLa1、RLb1与LLb1、RLc1与LLc1、RLa2与LLa2、RLb2与LLb2、RLc2与LLc2为每相负载电阻和电感；用开关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的动作来模拟不同的短路。