，，

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

大容量隱極同步調(diào)相機(jī)惰走轉(zhuǎn)速計(jì)算

朱志佳，曹尚陽，張健

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

介紹了大容量隱極同步調(diào)相機(jī)惰走過程中的轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程，給出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量、機(jī)械阻力轉(zhuǎn)矩的計(jì)算方法。以某200MW同步電機(jī)轉(zhuǎn)子為研究對象，通過與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，驗(yàn)證了計(jì)算方法的可行性。

調(diào)相機(jī)；惰走；轉(zhuǎn)速計(jì)算

0 引言

同步調(diào)相機(jī)本質(zhì)上是一種不對外輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩的同步電動機(jī)，它從電網(wǎng)吸收少量的有功功率，用于克服自身的損耗，同時通過調(diào)節(jié)勵磁電流，控制向電網(wǎng)發(fā)出或吸收的無功功率，用于電力系統(tǒng)的無功功率平衡，調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓。

由于調(diào)相機(jī)投資大，運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜，自上世紀(jì)70年代以來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，調(diào)相機(jī)逐步被運(yùn)行維護(hù)簡單的SVC、SVG所替代。當(dāng)前，隨著遠(yuǎn)距離直流輸電系統(tǒng)的建設(shè)，對系統(tǒng)動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)男枨笤絹碓酱?，靜止無功補(bǔ)償裝置受其工作原理限制，在系統(tǒng)電壓大幅波動時，無法提供足夠的動態(tài)無功補(bǔ)償。而調(diào)相機(jī)在電網(wǎng)故障時，能通過強(qiáng)勵向電網(wǎng)瞬時提供大量的無功功率，因此目前國內(nèi)直流輸電系統(tǒng)的換流站正在逐步加裝大容量隱極同步調(diào)相機(jī)。

不同于常規(guī)發(fā)電站，調(diào)相機(jī)沒有汽輪機(jī)為其提供機(jī)械輸入轉(zhuǎn)矩，僅通過從電網(wǎng)吸收有功維持自身轉(zhuǎn)速，一旦出現(xiàn)全廠斷電的突發(fā)故障，高速旋轉(zhuǎn)的調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)子由于失去輸入電磁轉(zhuǎn)矩來平衡自身所受的機(jī)械阻力轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速必然逐步下降，進(jìn)入惰走過程。油系統(tǒng)必須在失去常規(guī)能源供應(yīng)的條件下，在調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)子惰走過程中持續(xù)提供足夠的冷卻潤滑油來為轉(zhuǎn)軸提供滑動支撐，避免轉(zhuǎn)軸損傷甚至損毀。

一般油系統(tǒng)在全廠失電的條件下，采用高位油箱或者直流油泵設(shè)計(jì)為調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)子惰走過程提供潤滑油，這就需要對調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)子惰走過程的轉(zhuǎn)速變化進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算。

1 轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程

對于隱極同步調(diào)相機(jī)，在正常運(yùn)行條件下，通過定子繞組從電網(wǎng)吸收有功功率克服自身的損耗，即轉(zhuǎn)子受到的電磁轉(zhuǎn)矩(Me)與機(jī)械阻力轉(zhuǎn)矩(Mm)平衡，維持轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速處于額定轉(zhuǎn)速，見圖1。

圖1調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩平衡圖

對于失電工況，調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)子失去電磁轉(zhuǎn)矩(Me)，僅受機(jī)械阻力轉(zhuǎn)矩(Mm)，轉(zhuǎn)矩失去平衡，在此過程中，轉(zhuǎn)子滿足剛體定軸轉(zhuǎn)動定律

(1)

式中，Mm—機(jī)械阻力矩，N/m；J—轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；A—轉(zhuǎn)子角加速度，rad/s2；ω—轉(zhuǎn)子角速度，rad/s；t—時間，s。

由式(1)可知，惰走過程中，調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)子的角加速度等于其機(jī)械阻力矩與轉(zhuǎn)動慣量的比值。因此計(jì)算調(diào)相機(jī)惰走過程轉(zhuǎn)速變化關(guān)鍵在于確定轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量、機(jī)械阻力矩，然后求解微分方程。

2 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量

圖2為某隱極同步調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)圖。調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)軸主要用途是產(chǎn)生勵磁磁勢，由轉(zhuǎn)子繞組、轉(zhuǎn)軸、護(hù)環(huán)、風(fēng)扇等組成。 轉(zhuǎn)軸中間部分比其他部分直徑大、長度長的位置叫做轉(zhuǎn)子本體，用于放置轉(zhuǎn)子線圈；套在轉(zhuǎn)子本體兩端的轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)用于保護(hù)端部線圈；轉(zhuǎn)子風(fēng)扇用于通風(fēng)，冷卻調(diào)相機(jī)；軸頸部分與軸承配合，用于對轉(zhuǎn)軸進(jìn)行滑動支撐。

圖2調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖

為精確計(jì)算調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，需要逐項(xiàng)、逐段計(jì)算轉(zhuǎn)子每部分的轉(zhuǎn)動慣量，而后求和。這里給出工程上計(jì)算調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量的近似算法。

(2)

式中，ρ—轉(zhuǎn)軸材料密度；R2—轉(zhuǎn)軸半徑，m；l2—轉(zhuǎn)子本體長度，m；D2—轉(zhuǎn)子本體直徑，m；K—經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般取1～2。

3 轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)矩

調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)子所受的機(jī)械轉(zhuǎn)矩取決于其各部分產(chǎn)生的機(jī)械損耗。轉(zhuǎn)子機(jī)械損耗主要由以下部分構(gòu)成：轉(zhuǎn)子本體摩擦損耗、轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)摩擦損耗、轉(zhuǎn)子風(fēng)扇通風(fēng)損耗、轉(zhuǎn)子軸頸處的摩擦損耗，這些損耗在轉(zhuǎn)子惰走過程中并非保持不變，而是隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化，均可寫成以轉(zhuǎn)速為自變量的函數(shù)。轉(zhuǎn)子本體摩擦損耗(采用空氣冷卻)

(3)

式中，D2—轉(zhuǎn)子本體直徑，m；l2—轉(zhuǎn)子本體長度，m；ω—轉(zhuǎn)子角速度，rad/s。

轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)摩擦損耗(采用空氣冷卻)

(4)

式中，Dk—轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)直徑，m；lk—轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)長度，m；ω—轉(zhuǎn)子角速度，rad/s。

轉(zhuǎn)子風(fēng)扇通風(fēng)損耗(采用空氣冷卻)

(5)

式中，Qfn—3000r/min時轉(zhuǎn)子風(fēng)扇的通風(fēng)損耗，kW，由通風(fēng)計(jì)算得到；ω—轉(zhuǎn)子角速度，rad/s。

轉(zhuǎn)子軸頸處摩擦損耗(ω>33.33π/s)

(6)

式中，Qmn1—3000r/min時轉(zhuǎn)子軸頸處摩擦損耗，kW，由軸承靜態(tài)性能計(jì)算得到；ω—轉(zhuǎn)子角速度，rad/s。

轉(zhuǎn)子軸頸處摩擦損耗(轉(zhuǎn)速≤33.33π/s)

(7)

式中，Qmn2—1000r/min時轉(zhuǎn)子軸頸處摩擦損耗，kW；ω—轉(zhuǎn)子角速度，rad/s。

按式(3)～式(7)完成轉(zhuǎn)子機(jī)械損耗計(jì)算后，即可得到調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)子惰走過程所受的機(jī)械阻力矩為

(8)

4 轉(zhuǎn)子惰走過程計(jì)算與試驗(yàn)校驗(yàn)

以上述的計(jì)算方法，對某200MW同步電機(jī)轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)速為3150r/min開始的惰走過程進(jìn)行計(jì)算，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證。該同步電機(jī)轉(zhuǎn)子惰走過程計(jì)算輸入數(shù)據(jù)見表1。

表1 某200MW同步電機(jī)惰走過程計(jì)算輸入數(shù)據(jù)

按上述方法，計(jì)算得到轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量為

J=6937(k g·m2)

(9)

當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω>33.33π/s，機(jī)械阻力轉(zhuǎn)矩為

Mm(ω)=0.0329ω2+2.23ω

(10)

當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω≤33.33π/s，機(jī)械阻力轉(zhuǎn)矩為

Mm(ω)=0.0329ω2+233

(11)

將式(9)～式(11)帶入式(1)求解微分方程，即可得到轉(zhuǎn)子惰走過程轉(zhuǎn)速ω隨時間變化的的表達(dá)式，它是一個分段函數(shù)。

當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω>33.33π/s，轉(zhuǎn)速為

(12)

當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω≤33.33π/s，轉(zhuǎn)速為

ω(t)=-84.19tan(0.0004t-1.282)

(13)

在該機(jī)組型式試驗(yàn)時，使用拖動機(jī)將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速拖動至3150r/min，而后斷開拖動機(jī)電源，記錄轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨時間變化的曲線。

將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速單位轉(zhuǎn)換為r/min，時間單位轉(zhuǎn)換為min，將惰走過程轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速計(jì)算曲線與試驗(yàn)測量的曲線對比見圖3。

圖3惰走過程轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速計(jì)算曲線與實(shí)測曲線對比

由圖3可知，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速>1500r/min時，計(jì)算轉(zhuǎn)速曲線與實(shí)測轉(zhuǎn)速曲線吻合度很好；當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速<1500r/min后，計(jì)算轉(zhuǎn)速曲線變化率較實(shí)測轉(zhuǎn)速曲線偏?。豢偟亩枳邥r間，計(jì)算值較試驗(yàn)值偏大約12%，滿足工程計(jì)算要求。

5 結(jié)語

本文通過分析轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程，得出了調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量和機(jī)械阻力轉(zhuǎn)矩的計(jì)算方法，通過實(shí)例的驗(yàn)證，取得了良好的驗(yàn)證結(jié)果，證實(shí)了該計(jì)算可行。

[1] 張自評.同步調(diào)相機(jī)運(yùn)行方式的分析[J]. 華中電力，1993.

[2] 汪耕，李希明.大型汽輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)、制造與運(yùn)行[M]. 上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2000.

[3] 陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[4] 李岸然.600MW亞臨界汽輪機(jī)停機(jī)惰走超時分析[J].廣西電力，2011.

[5] 江建勛.汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子惰走時間異常原因分析[J].內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2017.

CalculationforIdleSpeedofLarge-CapacityCylindricalRotorSynchronousCondenser

ZhuZhijia，CaoShangyang，andZhangJian

(Harbin Electric Machinery Company Limited，Harbin 150040，China)

This paper introduces the rotor motion equation of large- capacity cylindrical rotor synchronous condenser in idle process, gives the calculation methods of rotor inertia movement and the mechanical drag torque. Taking a rotor of 200 MW synchronous machine as a research object, the feasibility of method is verified by comparing with test data.

Rotary condenser；idle operation；speed calculation

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.05.05

TM303.5

A

1008-7281(2017)05-0016-003

朱志佳男1988年生；畢業(yè)于天津大學(xué)電氣工程學(xué)院電氣工程及其自動化專業(yè)，現(xiàn)從事汽輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)工作.

2016-11-18