王 賓,黨曉強(qiáng),徐 永,3
(1.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院羊馬校區(qū),四川 成都 611231; 2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院,四川 成都 610065;3.西華大學(xué)流體及動(dòng)力機(jī)械省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610039)
電磁振動(dòng)是電機(jī)相關(guān)領(lǐng)域比較重要的研究課題之一,對(duì)于水電機(jī)組軸系的振動(dòng)特性有較大的影響,會(huì)加重軸系的振動(dòng)擺度問(wèn)題,甚至造成定、轉(zhuǎn)子之間的碰磨,嚴(yán)重影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1-4]。在眾多電磁因素引起的振動(dòng)激勵(lì)中,最常見(jiàn)的是由電機(jī)磁路和電路的不對(duì)稱引起的不平衡磁拉力。
為了仿真研究不平衡磁拉力對(duì)水電機(jī)組軸系電磁振動(dòng)特性的影響,通常需要建立計(jì)算模型[5]。計(jì)算模型主要分為機(jī)組軸系模型和不平衡磁拉力分析方法兩部分,目前不平衡磁拉力的分析方法大致可以分為3類:①簡(jiǎn)化為一個(gè)負(fù)剛度系數(shù)[6],即認(rèn)為不平衡磁拉力與轉(zhuǎn)子偏心率呈線性關(guān)系;②利用簡(jiǎn)化分析方法,考慮不平衡磁拉力與轉(zhuǎn)子偏心率等影響因素的非線性關(guān)系[7-8];③利用有限元方法計(jì)算磁場(chǎng)區(qū)域獲得不平衡磁拉力[9]。第一類方法主要適用于機(jī)組設(shè)計(jì)階段時(shí)對(duì)磁拉力的估算,但不能考慮勵(lì)磁工況變化對(duì)磁拉力大小的影響;第二類方法從宏觀角度出發(fā),考察不平衡磁拉力與轉(zhuǎn)子偏心率等因素的非線性變化關(guān)系,對(duì)于研究電磁力影響下的機(jī)組振動(dòng)特性目前具有較大的優(yōu)勢(shì);第三類方法從微觀角度出發(fā),能夠考慮包括勵(lì)磁工況變化在內(nèi)的眾多影響因素對(duì)磁拉力的影響,其不足之處是計(jì)算量過(guò)大,若以考察電磁力引起的機(jī)組振動(dòng)響應(yīng)為研究目標(biāo),則該類方法因?yàn)樵谟?jì)算的實(shí)時(shí)性方面要求過(guò)高而難以適用。對(duì)于機(jī)組軸系模型的建立,由于Jeffcott轉(zhuǎn)子模型易于分析,考察不平衡磁拉力影響時(shí),多數(shù)學(xué)者以此模擬機(jī)組軸系[7-8],但這種模型由于過(guò)于簡(jiǎn)化而無(wú)法正確反映真實(shí)機(jī)組的振動(dòng)特性。目前機(jī)組軸系模型中,應(yīng)用廣泛且行之有效的是有限元轉(zhuǎn)子模型[10-11]。
以往對(duì)于水電機(jī)組軸系電磁振動(dòng)的研究主要集中在理論計(jì)算分析方面,而與實(shí)測(cè)分析相關(guān)的研究較少。本文通過(guò)某水電站125 MW半傘式兩導(dǎo)軸承軸流轉(zhuǎn)槳式水電機(jī)組(以下簡(jiǎn)稱研究機(jī)組)現(xiàn)場(chǎng)變勵(lì)磁試驗(yàn)數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析,總結(jié)了由電磁因素引起的振動(dòng)特性變化規(guī)律,再利用仿真分析方法對(duì)電磁力引起的振動(dòng)特性變化的原因進(jìn)行了分析。
圖1 現(xiàn)場(chǎng)變勵(lì)磁試驗(yàn)振動(dòng)狀態(tài)過(guò)程
為了排查水電機(jī)組軸系的振動(dòng)是否主要由電磁因素引起,一般需要對(duì)機(jī)組進(jìn)行變勵(lì)磁試驗(yàn)。通過(guò)改變勵(lì)磁工況(勵(lì)磁電流)的方式,考察機(jī)組振動(dòng)對(duì)勵(lì)磁工況的改變是否敏感,據(jù)此判斷振動(dòng)原因是否為電磁因素。
水電機(jī)組的變勵(lì)磁試驗(yàn)一般使機(jī)組運(yùn)行在未加勵(lì)磁、加100%勵(lì)磁或加50%勵(lì)磁的工況下。未加勵(lì)磁時(shí),發(fā)電機(jī)為空轉(zhuǎn)工況,此時(shí)機(jī)組不受磁拉力的作用。通入勵(lì)磁電流而定子繞組開(kāi)路時(shí)為機(jī)組的空載工況,此時(shí)發(fā)電機(jī)中只有勵(lì)磁電流產(chǎn)生的勵(lì)磁磁場(chǎng),勵(lì)磁電流的大小決定了勵(lì)磁磁場(chǎng)的強(qiáng)度,從而決定交界面上磁應(yīng)力的大小。定、轉(zhuǎn)子的相對(duì)偏心會(huì)引起不平衡磁拉力,正常運(yùn)行工況下,越大的勵(lì)磁電流將引起越強(qiáng)的不平衡磁拉力;而該不平衡磁拉力反過(guò)來(lái)作用于轉(zhuǎn)子,對(duì)軸系的振動(dòng)特性產(chǎn)生影響。這類振動(dòng)問(wèn)題對(duì)勵(lì)磁工況的變化敏感,正是利用這一特性,可以通過(guò)變勵(lì)磁試驗(yàn)的方法排查是否為電磁因素引起的機(jī)組振動(dòng)。
通過(guò)分析變勵(lì)磁試驗(yàn)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)數(shù)據(jù),可以對(duì)比機(jī)組在有無(wú)不平衡磁拉力影響下的振動(dòng)特性,從而識(shí)別由不平衡磁拉力引起的振動(dòng)特性變化。圖1所示為研究機(jī)組變勵(lì)磁試驗(yàn)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)數(shù)據(jù)[12],該電站的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在上導(dǎo)、水導(dǎo)兩軸承處設(shè)置了振動(dòng)位移傳感器。由于整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程在空載工況下進(jìn)行,有功功率始終為零。從圖1可以看出,在勵(lì)磁電流發(fā)生變化時(shí),上導(dǎo)軸承y方向擺度峰峰值及上機(jī)架水平振動(dòng)y方向擺度峰峰值的變化明顯(x方向上的情況與此類似,圖1中列出)。勵(lì)磁電流的增大將明顯增大上導(dǎo)軸承處的振動(dòng)擺度。而水導(dǎo)軸承處受勵(lì)磁電流改變的影響并不顯著,甚至有略微減小的趨勢(shì)。
以未加勵(lì)磁時(shí)的軸心軌跡中心作為參考中心,圖2為加100%勵(lì)磁后某時(shí)刻的大軸姿態(tài)及相應(yīng)時(shí)間段的軸心軌跡。可以看出,加100%勵(lì)磁后,軸心軌跡中心發(fā)生了明顯的偏移,其中上導(dǎo)軸承處的偏移量更大。為了判斷這種軸心軌跡中心的偏移是否具有規(guī)律性,統(tǒng)計(jì)圖1所示的變勵(lì)磁試驗(yàn)過(guò)程中不同勵(lì)磁條件下軸心軌跡中心偏移的大小及方位如表1所示(其中加100%勵(lì)磁時(shí)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)取自10:48—10:57,加50%勵(lì)磁時(shí)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)取自11:00—11:08)。由表1可以看出,在同一勵(lì)磁工況下,上導(dǎo)軸承處的軸心偏移量及偏移方位相對(duì)比較穩(wěn)定,不同時(shí)刻的軸心偏移量及偏移方位基本保持一致,而水導(dǎo)軸承處則沒(méi)有明顯的規(guī)律。此外,軸心軌跡中心的偏移量隨勵(lì)磁電流的增大而增大,而偏移方位也會(huì)發(fā)生微小變化。
圖2 加100%勵(lì)磁后的大軸姿態(tài)及軸心軌跡
工 況時(shí)間偏移量/μm偏移方位/(°)上導(dǎo)軸承水導(dǎo)軸承上導(dǎo)軸承水導(dǎo)軸承加100%勵(lì)磁加50%勵(lì)磁10:49797400-768-66810:51824360-812-96110:53761299-828-77610:55909266-846-57111:01318188-909-112411:03312167-101216911:05244324-883-108411:0732120-917-1006
由以上分析結(jié)果,可推斷不平衡磁拉力對(duì)水電機(jī)組軸系電磁振動(dòng)特性的影響:①上導(dǎo)軸承處的振動(dòng)擺度峰峰值明顯增大;②軸心軌跡中心向某一方位發(fā)生偏移;③偏移量與不平衡磁拉力大小成正比。
轉(zhuǎn)子匝間短路、鐵磁材料磁化不均勻以及定、轉(zhuǎn)子相對(duì)偏心等都會(huì)導(dǎo)致定、轉(zhuǎn)子間氣隙磁場(chǎng)的不對(duì)稱,從而引起不平衡磁拉力。當(dāng)定、轉(zhuǎn)子中心存在大小為e、方位為γ的偏心時(shí)(圖3),轉(zhuǎn)子圓周上氣隙厚度δ為空間角度α的函數(shù):
δ=δ0-ecos(α-γ)
(1)
式中δ0為均勻氣隙厚度。忽略鐵磁材料磁阻影響時(shí),氣隙磁密Bδ的分布與氣隙厚度有如下關(guān)系
(2)
式中:μ0為空氣磁導(dǎo)率:Fδ為發(fā)電機(jī)氣隙的基波合成磁勢(shì)。由式(1)可知,最小氣隙厚度出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子偏心方位上。而由式(2)可知,氣隙厚度越小,氣隙磁密越大,由于Fδ是一個(gè)行波方程,氣隙磁密Bδ在轉(zhuǎn)子圓周上的分布也是一個(gè)行波方程。
圖3 定、轉(zhuǎn)子偏心示意圖
在定、轉(zhuǎn)子間氣隙與鐵磁材料交界面上,單位面積上的磁應(yīng)力T的計(jì)算公式為
(3)
對(duì)式(3)在整個(gè)氣隙圓周上積分得
(4)
式中:Fump為轉(zhuǎn)子圓周上所有磁應(yīng)力的總和;R為轉(zhuǎn)子半徑;L為定子鐵芯有效長(zhǎng)度。氣隙均勻的情況下,因?yàn)檗D(zhuǎn)子的對(duì)稱性,Fump為零。當(dāng)Fump不為零時(shí),即為不平衡磁拉力。
氣隙磁密的差異是導(dǎo)致不平衡磁拉力的主要原因,確定氣隙磁密分布是計(jì)算不平衡磁拉力的關(guān)鍵。當(dāng)考慮飽和效應(yīng)的影響時(shí),必須考慮鐵磁材料的磁化特性,在這種情況下,很難得到如式(2)的解析表達(dá)式。一般退而求其次的分析方法是通過(guò)曲線擬合及磁路簡(jiǎn)化計(jì)算等方法對(duì)磁回路中所有鐵磁材料的磁化特性進(jìn)行分析,從而考慮飽和效應(yīng)影響[13-14]。本文利用發(fā)電機(jī)空載特性曲線分析計(jì)算不平衡磁拉力。由于勵(lì)磁電流與氣隙磁密具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,利用空載特性曲線信息能夠得到勵(lì)磁電流If與氣隙磁密Bδ的N次多項(xiàng)式擬合函數(shù)關(guān)系[11]:
(p0-If)=0
(5)
式中:N為擬合多項(xiàng)式冪次;p0、p1、…、pN為擬合多項(xiàng)式的系數(shù)。求解不同氣隙厚度和勵(lì)磁電流時(shí)的多項(xiàng)式方程,可求得相應(yīng)情況下的氣隙磁密大小,代入不平衡磁拉力計(jì)算公式(式(4))即可求解此時(shí)的不平衡磁拉力大小。該分析方法既簡(jiǎn)化了分析過(guò)程,又能夠考慮勵(lì)磁電流變化對(duì)不平衡磁拉力的影響,計(jì)算精度和效率也都能滿足軸系響應(yīng)分析的需求。
圖4為研究機(jī)組在圖3所示相對(duì)偏心情況下的氣隙厚度分布與某時(shí)刻氣隙磁密分布情況。水電機(jī)組一般為凸極轉(zhuǎn)子,這里為了簡(jiǎn)化分析,忽略了凸極磁極之間的間隙引起的氣隙厚度突變。氣隙磁密分布在整個(gè)轉(zhuǎn)子圓周上的周期數(shù)與磁極對(duì)數(shù)相同,最大氣隙磁密與最小氣隙厚度相對(duì)應(yīng)。
圖4 相對(duì)偏心下氣隙厚度與氣隙磁密分布
對(duì)于水電機(jī)組軸系動(dòng)力特性而言,不平衡磁拉力作為邊界激勵(lì)力作用在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子處。為了研究其對(duì)水電機(jī)組振動(dòng)特性的影響,需建立機(jī)組軸系模型。圖5為研究機(jī)組的軸系計(jì)算模型示意圖,對(duì)其沿軸線進(jìn)行有限單元離散化,利用Lagrange方程或Hamilton原理導(dǎo)出單元的運(yùn)動(dòng)方程,再將單元運(yùn)動(dòng)方程按節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)關(guān)系疊加,即可組成整體機(jī)組軸系的運(yùn)動(dòng)微分方程組,這里每個(gè)節(jié)點(diǎn)包括2徑向位移自由度及2角位移自由度共4個(gè)自由度。數(shù)學(xué)微分方程可表示為
(6)
式中:M、C、K分別為系統(tǒng)質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣;q為包含所有自由度的廣義坐標(biāo)向量;Fu為作用于轉(zhuǎn)子節(jié)點(diǎn)的不平衡磁拉力向量;F0為不平衡磁拉力以外的其他受力向量,包括軸承力、質(zhì)量不平衡力等。質(zhì)量不平衡力的計(jì)算公式比較成熟,軸承力一般簡(jiǎn)化為常剛度阻尼系數(shù),這種處理方法過(guò)于簡(jiǎn)化。本文采用文獻(xiàn)[10]所述的軸承力處理方法,能夠考慮軸承力在響應(yīng)計(jì)算過(guò)程中的變化,更加符合實(shí)際的振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律。式(6)所描述的軸系動(dòng)力學(xué)模型可通過(guò)Wilson-θ等數(shù)值積分方法進(jìn)行求解。
圖5 機(jī)組的軸系計(jì)算模型示意圖
在仿真分析中,F0作為在仿真計(jì)算過(guò)程中總是存在的受力施加于機(jī)組軸系相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上,而前述能夠考慮勵(lì)磁電流變化的不平衡磁拉力Fump在仿真分析中根據(jù)仿真需要進(jìn)行相應(yīng)的變化,以考察電磁因素變化對(duì)機(jī)組軸系電磁振動(dòng)響應(yīng)的影響。
圖3所示定、轉(zhuǎn)子偏心為靜態(tài)偏心形式,一般是指由制造缺陷導(dǎo)致的定子內(nèi)圓和轉(zhuǎn)子外圓不正以及安裝不當(dāng)?shù)纫蛩匾鸬亩?、轉(zhuǎn)子間不同心。而在機(jī)組旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心的存在,質(zhì)量不平衡力會(huì)使得轉(zhuǎn)子在運(yùn)轉(zhuǎn)中偏離其理想中心,這種偏心形式稱為動(dòng)態(tài)偏心。兩種偏心形式在水電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行中是同時(shí)存在的。為了考察兩種偏心形式對(duì)機(jī)組軸系電磁振動(dòng)特性的影響,本文利用仿真計(jì)算模型分別分析動(dòng)態(tài)偏心、靜態(tài)偏心及兩者共同作用情況下,不平衡磁拉力對(duì)機(jī)組軸系電磁振動(dòng)特性的影響。
首先假設(shè)定、轉(zhuǎn)子間僅存在動(dòng)態(tài)偏心,此時(shí)轉(zhuǎn)子軸系在質(zhì)量不平衡力的作用下繞其理想中心渦動(dòng),上導(dǎo)軸承及水導(dǎo)軸承處的軸心軌跡如圖6所示(圖中“*”為參考中心,“o”為仿真工況下的軸心軌跡中心。圖7、圖8同)。轉(zhuǎn)子的渦動(dòng)會(huì)導(dǎo)致定、轉(zhuǎn)子間最小氣隙厚度發(fā)生變化,進(jìn)而導(dǎo)致不平衡磁拉力發(fā)生變化。圖6(b)為額定勵(lì)磁工況下僅考慮動(dòng)態(tài)偏心時(shí)的上導(dǎo)軸承振動(dòng)響應(yīng)軸心軌跡,可以看出,勵(lì)磁工況下上導(dǎo)軸承處的擺度幅值有所增加,而水導(dǎo)軸承處未見(jiàn)明顯變化(圖6(d)),兩導(dǎo)軸承處的軸心軌跡中心均未發(fā)生偏移。
圖6 只考慮動(dòng)態(tài)偏心時(shí)的軸心軌跡變化
若只考慮定、轉(zhuǎn)子間的靜態(tài)偏心,則由此引起的最小氣隙厚度在固定的方位,此時(shí)不平衡磁拉力的方向固定。參照表1的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果,假定存在靜態(tài)偏心值為0.2 mm,方位為-80°,圖7所示為只考慮定、轉(zhuǎn)子間靜態(tài)偏心時(shí),不平衡磁拉力對(duì)軸心軌跡影響的仿真結(jié)果,與圖1所示實(shí)際變勵(lì)磁試驗(yàn)的工況變化一致。可以看出,受不平衡磁拉力的影響,軸心軌跡向靜態(tài)偏心方位發(fā)生了偏移,該偏移量大小與加勵(lì)磁大小成正比,即勵(lì)磁電流越大,軸心軌跡中心的偏移量越大。水導(dǎo)軸承處軸心軌跡的變化規(guī)律與上導(dǎo)軸承處相似,也發(fā)生了一定軸心軌跡中心的偏移。
圖7 只考慮靜態(tài)偏心時(shí)的軸心軌跡變化
若同時(shí)考慮兩種偏心形式的一般情況,則兩種偏心形式共同決定了定、轉(zhuǎn)子間氣隙的分布情況,從而決定該情形下不平衡磁拉力的變化規(guī)律。圖8所示為同時(shí)考慮兩種偏心形式時(shí)不平衡磁拉力對(duì)軸心軌跡影響的仿真結(jié)果,也與圖1所示實(shí)際變勵(lì)磁試驗(yàn)的工況變化一致,這里也分別考慮了額定勵(lì)磁和加50%勵(lì)磁兩種工況條件下的仿真分析結(jié)果。從圖8可以看到,對(duì)比圖6(a)和圖6(c)的結(jié)果,同時(shí)考慮兩種偏心形式的仿真結(jié)果綜合了分別考慮兩種偏心形式時(shí)的振動(dòng)特性,即上導(dǎo)軸承處的擺度幅值增大,而兩導(dǎo)軸承處的軸心軌跡中心均發(fā)生朝某一特定方位的偏移,偏移量的大小與勵(lì)磁電流大小成正比。
圖8 同時(shí)考慮兩種偏心形式時(shí)的軸心軌跡變化
利用仿真計(jì)算模型,可以仿真模擬圖1所示的實(shí)際變勵(lì)磁試驗(yàn),仿真計(jì)算結(jié)果在兩導(dǎo)軸承節(jié)點(diǎn)處的振動(dòng)擺度峰峰值變化規(guī)律如圖9所示,仿真試驗(yàn)的勵(lì)磁電流工況與現(xiàn)場(chǎng)變勵(lì)磁試驗(yàn)相同,依次為無(wú)勵(lì)磁、加100%勵(lì)磁和加50%勵(lì)磁,每個(gè)工況下仿真時(shí)間為16 s。仿真計(jì)算結(jié)果的擺度峰峰值變化趨勢(shì)與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)吻合得很好。上導(dǎo)軸承處的擺度峰峰值隨勵(lì)磁電流增大而明顯增大,而水導(dǎo)軸承處的擺度峰峰值并無(wú)明顯變化,甚至有略微的減小。
圖9 變勵(lì)磁試驗(yàn)仿真
從以上仿真分析結(jié)果可知,電磁因素對(duì)水電機(jī)組振動(dòng)特性有明顯的影響。其中由定、轉(zhuǎn)子間的動(dòng)態(tài)偏心引起的不平衡磁拉力導(dǎo)致機(jī)組上導(dǎo)軸承處的擺度增大,而由靜態(tài)偏心形式引起的不平衡磁拉力將導(dǎo)致機(jī)組軸心軌跡中心發(fā)生偏移。定、轉(zhuǎn)子間動(dòng)態(tài)偏心的主要作用是增大了電磁振動(dòng)增幅值,而靜態(tài)偏心的貢獻(xiàn)在于使轉(zhuǎn)子軸系發(fā)生朝某一特定方位的軸心偏移。這一振動(dòng)規(guī)律與研究機(jī)組軸系兩導(dǎo)軸承布置的結(jié)構(gòu)形式相關(guān),但可以推斷,定、轉(zhuǎn)子間的兩種偏心形式對(duì)電磁振動(dòng)特性的影響規(guī)律具有一般性。
本文從實(shí)測(cè)變勵(lì)磁試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和仿真計(jì)算兩個(gè)角度討論了水電機(jī)組軸系電磁振動(dòng)特性的變化規(guī)律。實(shí)測(cè)變勵(lì)磁試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析顯示,電磁因素對(duì)研究機(jī)組軸系電磁振動(dòng)特性的影響主要有:上導(dǎo)軸承處的擺度增大,軸心軌跡中心朝某一方位發(fā)生偏移且偏移量隨不平衡磁拉力的增大而增加;水導(dǎo)軸承處的軸心軌跡中心偏移方位與上導(dǎo)軸承處相似,但偏移量較小,且其擺度并未增大,反而有略微減小的趨勢(shì);由于布置得離發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子較遠(yuǎn)且受水力因素影響較大,不平衡磁拉力引起的水導(dǎo)軸承處振動(dòng)特性變化相對(duì)較小。
仿真計(jì)算分析發(fā)現(xiàn),上導(dǎo)軸承處擺度的增大是由定、轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)偏心引起的不平衡磁拉力造成的,而軸心的偏移是由靜態(tài)偏心引起的不平衡磁拉力造成的。實(shí)際機(jī)組工作過(guò)程中同時(shí)存在靜態(tài)偏心及動(dòng)態(tài)偏心兩種偏心形式,所以加勵(lì)磁后同時(shí)出現(xiàn)上導(dǎo)軸承處擺度增大及軸心偏移的現(xiàn)象。水導(dǎo)軸承處的擺度略有減小的振動(dòng)特性變化也與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)吻合,這一特定變化規(guī)律與研究機(jī)組的軸系結(jié)構(gòu)特性有關(guān)。仿真計(jì)算分析結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果吻合較好,驗(yàn)證了實(shí)測(cè)變勵(lì)磁試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析中統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)的振動(dòng)特性規(guī)律,并找出了相應(yīng)的激振原因,較好地揭示了水電機(jī)組軸系電磁振動(dòng)現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。
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