发电电动机空载电势波形与阻尼结构影响研究

马明聪 李镇东

摘要：本文基于场路耦合法建立了计算阻尼绕组电流及其各次谐波的数学模型，从气隙磁场分析入手，推导出了阻尼绕组感应电势的表达式。以额定功率为150MW发电电动机为例，建立了时步有限元计算物理模型，通过发电电动机在不同工况下运行时阻尼绕组电流的计算与分析，揭示了两种阻尼结构下阻尼绕组电流及各次谐波的分布特性。

关键词：发电电动机;阻尼绕组;电压波形畸变率;阻尼电流

1.    阻尼电流与空载电势计算

1.1  发电电动机基本参数和物理模型

本文以某150MW30极发电电动机为研究对象，本文选取一对磁极进行建模，基本参数如下。

额定功率：145200kW

额定电压：13800V

额定电流：6903.1A

每极阻尼条数：8

1.2  基本假设

为了简化计算，做出以下假设：

（1）     忽略位移电流，即电磁场为似稳场;

（2）     材料为各向同性，忽略铁磁材料的磁滞效应;

（3）     近似认为电机气隙磁场沿轴向不变，可将三维磁场转化为二维磁场来处理。

1.3  建立数学模型

根据假定，仿真分析瞬态磁场时，根据结构对称性，建立一个极下的截面模型作为求解域。在求解区域内，用矢量磁位A表述的二维电磁场问题满足二维泊松方程

式1中，v为磁阻率;J为源电流密度;为涡流电密，其他说明如下：

（1）     定转子铁心、定子绕组和气隙区域

忽略铁心中的涡流效应，定转子铁心、定子绕组和气隙中的Js=0，

（2）     转子励磁绕组区域

根据转子励磁电路可写出转子电压方程

式4中，ef为励磁绕组的感应电动势;Nf为励磁绕组串联匝数;lm极身长度;a为励磁绕组并联支路数;S为励磁区域面积

（3）     转子阻尼绕组区域

转子阻尼绕组的电路，阻尼条中电流只有轴向分量，设第k根阻尼条两端感应电动势为uk，电流为ik离散后得

由基尔霍夫定律根据求解区域阻尼导条数，区域边界处阻尼条电流

求解以上的方程组，即可得到不同时刻的感应电势值。

2计算结果

根据发电电动机阻尼绕组结构，分别对全阻尼绕组、半阻尼绕组以及无阻尼情况进行时步有限元分析。在发电电动机空载运行时，气隙中只存在转子励磁电流激励的主极磁场。

2.1  电压谐波畸变率

得到空载电势后，对其谐波分解求得其各次谐波，分别算出三种情况电压波形畸变率如表2所示。

根据数据对比，全阻尼结构的空载电势波形畸变率最低。

2.2  阻尼绕组电流

将所得阻尼绕组电流波形进行谐波分解，其各次谐波中24次谐波为主要谐波，其他次谐波可忽略不计，全阻尼绕组电流24次谐波幅值和半阻尼绕组电流24次谐波幅值如表3和表4。

由全阻尼绕组和半阻尼绕组阻尼电流进行对比可发现，谐波分解同样主要成分为齿谐波次数24次。空载状况磁场分布均匀，阻尼电流大小成中心对称趋势。两种情况区别在于，全阻尼结构情况下，两侧阻尼条中阻尼电流大于半阻尼结构，中间4、5号阻尼条阻尼电流半阻尼结构中的偏大。

3.结论

本文建立了二维时步有限元模型，计算出某150MW发电电动机的空载电势波形，并求出不同结构下的空载电势波形畸变率，其中全阻尼结构的畸变率最低，波形最好。然后计算不同结构阻尼绕组分别在空载工况下的阻尼绕组电流并进行谐波分解。在空载运行时，半阻尼结构下阻尼绕组由基尔霍夫定律根据求解区域阻尼导条数，区域边界处阻尼条电流

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[5]周哲.1000M水輪发电机空载电势波形的分析[D].哈尔滨理工大学，2011.

作者简介：

姓名：马明聪/ 李镇东，出生年月：1993.12.20/1983.9.25，性别：男，民族：汉，籍贯：山东省临朐市/ 山东省青岛市，学历：本科/ 大专，职称：助理工程师/ 电气助理工程师，研究方向：电机电气