張春莉，王立芳

(1. 水力發(fā)電設(shè)備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 黑龍江哈爾濱　150040

2. 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司， 黑龍江哈爾濱　150040)

用有限元法計(jì)算300 MW六相同步發(fā)電機(jī)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(shè)備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 黑龍江哈爾濱150040

2. 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司， 黑龍江哈爾濱150040)

摘要：針對(duì)六相同步發(fā)電機(jī)定子繞組采用雙Y移30°相帶繞組結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。指出此種結(jié)構(gòu)定子上裝設(shè)有兩套Y接的三相繞組，兩套繞組在空間上錯(cuò)開(kāi)30°電角度，且有磁耦聯(lián)系，其短路暫態(tài)比較復(fù)雜，6個(gè)出線(xiàn)端共有17種不同的短路工況。利用有限元法對(duì)300 MW六相同步發(fā)電機(jī)不同短路工況進(jìn)行了計(jì)算與分析，獲得了相應(yīng)的短路電流和電磁轉(zhuǎn)矩，同時(shí)指出了最嚴(yán)重短路工況的狀態(tài)，方便工程應(yīng)用。

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

0引言

對(duì)大容量同步電機(jī)來(lái)講，設(shè)計(jì)為正常三相連接時(shí)，電壓較高對(duì)定子線(xiàn)圈主絕緣要求較高，槽電流很大會(huì)使定子線(xiàn)圈受到強(qiáng)大的交變電磁力。因此，要求對(duì)線(xiàn)圈的槽部及端部有可靠的固定方式以防止由于電磁振動(dòng)引起的損壞。采用六相繞組是解決這個(gè)問(wèn)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(jī)時(shí)，必須配合多相變?nèi)嗟淖儔浩?。考慮到從發(fā)電機(jī)連接到變壓器的母線(xiàn)數(shù)量和不使變壓器結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，同時(shí)對(duì)應(yīng)用變頻器調(diào)節(jié)場(chǎng)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(shí)意義。

在一定的電機(jī)容量下，采用六相雙Y移30°定子繞組主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：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(dòng)；3)定子磁勢(shì)諧波含量顯著減少，因而轉(zhuǎn)子表面損耗顯著減小；4)能提高繞組系數(shù)而提高電機(jī)有效材料利用率。

由于六相電機(jī)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(fù)雜。其6個(gè)出線(xiàn)端共有17種不同的短路工況，其中6種屬于對(duì)稱(chēng)短路，11種屬于不對(duì)稱(chēng)短路，需要對(duì)其不同短路工況進(jìn)行計(jì)算與分析。此研究目前記載的文獻(xiàn)采用是解析的計(jì)算方法[1-4]，目前隨著計(jì)算手段的提高，文章采用有限元法對(duì)其進(jìn)行具體分析，可以避免由于某些參數(shù)選取不當(dāng)帶來(lái)的誤差，計(jì)算結(jié)果精度更高。

1300 MW六相同步發(fā)電機(jī)定子繞組結(jié)構(gòu)

文章所研究的300 MW六相同步發(fā)電機(jī)定子繞組采用雙Y移30°形式對(duì)電機(jī)內(nèi)部來(lái)說(shuō)，定子線(xiàn)槽沿內(nèi)圓每對(duì)極距內(nèi)等分為12個(gè)相帶，每一相帶的寬度為30°電角度。對(duì)電機(jī)外部來(lái)說(shuō)，把12個(gè)相帶結(jié)成兩個(gè)獨(dú)立的三相Y型連接，每個(gè)星型的每一相由相距180°電角度的2個(gè)相帶構(gòu)成。2個(gè)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(chēng)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(jī)有限元模型的建立

首先建立300 MW六相同步發(fā)電機(jī)的幾何模型，如圖2所示。由于300 MW六相同步發(fā)電機(jī)定子每極每相槽數(shù)為整數(shù)，因此有限元計(jì)算中建立了一個(gè)極。這樣可以節(jié)省計(jì)算時(shí)間并方便與外電路耦合求解。定義發(fā)電機(jī)定子外表面I為一類(lèi)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(jī)幾何模型

300 MW六相同步發(fā)電機(jī)剖分網(wǎng)格如圖3。

圖3　300 MW六相同步發(fā)電機(jī)剖分網(wǎng)格

同時(shí)為了模擬脈沖發(fā)電機(jī)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(yīng)、輸電線(xiàn)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(fù)載電阻和電感；用開(kāi)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(dòng)作來(lái)模擬不同的短路。

圖4　300 MW六相同步發(fā)電機(jī)外電路模型

317種短路分析

在已建立的300 MW六相發(fā)電機(jī)有限元方法基礎(chǔ)上，通過(guò)分析獲得正?？蛰d工況下某一時(shí)刻磁場(chǎng)分布如圖5。同時(shí)對(duì)其在空載狀態(tài)下17種短路情況進(jìn)行了計(jì)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(jiàn)表1。

圖5　300 MW六相發(fā)電機(jī)某一時(shí)刻空載磁場(chǎng)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(yǔ)

參考文獻(xiàn)

[1] 溫增銀、胡會(huì)駿，六相雙Y移30°相帶繞組同步電機(jī)短路的暫態(tài)過(guò)程[J].華中工學(xué)院學(xué)報(bào)， 1974(4).

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

[3] 溫增銀、胡會(huì)駿.六相雙Y移30°相帶繞組同步電機(jī)的不對(duì)稱(chēng)短路[J].華中工學(xué)院學(xué)報(bào)， 1978(1).

[4] 李朗如，許實(shí)章，代曉寧等，六相雙Y移30°繞組同步發(fā)電機(jī)突然短路電流和電磁轉(zhuǎn)矩的試驗(yàn)研究[J].華中工學(xué)院學(xué)報(bào)，1979(2).

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

作者簡(jiǎn)介：