朱南龍 齊琳 祁安博

摘 要：勵磁系統(tǒng)是電機(jī)的重要部分，影響抽水蓄能發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定運(yùn)行。為探討抽水蓄能發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化策略，本文采用仿真模型分析的方法，對額定運(yùn)行情況下抽水蓄能發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場與不同磁極結(jié)構(gòu)下轉(zhuǎn)子磁場有限元進(jìn)行計算分析，然后結(jié)合仿真模擬結(jié)構(gòu)提出針對性建議。

關(guān)鍵詞：抽水蓄能;發(fā)電機(jī);電磁分析;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1 發(fā)電電動機(jī)仿真模型構(gòu)建

以一臺250MW的12極凸極同步抽水蓄能發(fā)電電動機(jī)為例，選擇其中一個極進(jìn)行仿真模擬計算分析，電機(jī)主要參數(shù)：額定視在功率286380kVA、額定輸出功率277150kVA、額定功率因素0.98、空載勵磁電流1008.4A、額定勵磁電流1600A、額定頻率50Hz、額定轉(zhuǎn)速250r/min、飛逸轉(zhuǎn)速375r/min、轉(zhuǎn)子外徑7430mm、定子內(nèi)徑7500mm。根據(jù)參數(shù)，用有限元法求發(fā)電機(jī)內(nèi)部磁場分布，算式為：

式中，Js表示電流密度，μ表示磁導(dǎo)率。之后根據(jù)抽水蓄能發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況，完成外電路搭建，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同工況下同一求解區(qū)域的仿真計算。

2 額定運(yùn)行下發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場分析

2.1 矩形磁極結(jié)構(gòu)下發(fā)電機(jī)內(nèi)部磁場計算

考慮到抽水蓄能發(fā)電站發(fā)電機(jī)組日常工況下，其運(yùn)轉(zhuǎn)為穩(wěn)定的額定運(yùn)行狀態(tài)，對常態(tài)下磁場進(jìn)行研究，有利于研究發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)行性能優(yōu)化。通過有限元建模分析可知，轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)在磁場中受力復(fù)雜，磁極極身與極靴形狀是影響磁場強(qiáng)度和分布的重要因素，其不同形狀導(dǎo)致轉(zhuǎn)子磁極的線圈和阻尼繞組所受電磁力發(fā)生變化。在正常工況下，轉(zhuǎn)子運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性，依賴于磁極線圈與阻尼繞組的性能，因此對磁極結(jié)構(gòu)優(yōu)化是確保其安全、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。

2.2 塔形向心磁極結(jié)構(gòu)下發(fā)電機(jī)內(nèi)部磁場計算

除矩形磁極結(jié)構(gòu)外，抽水蓄能發(fā)電機(jī)磁極還有塔形結(jié)構(gòu)，即塔形向心磁極。結(jié)合本文抽水蓄能發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化的要求，通過改變矩形磁極極身和極靴結(jié)構(gòu)，將矩形磁極優(yōu)化為塔形向心磁極，進(jìn)而使轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)獲得優(yōu)化。在磁極結(jié)構(gòu)優(yōu)化時，定義以圓心為焦點(diǎn)的左右極身夾角為β角，并結(jié)合模型分別計算β=3°、β=3.5°、β=4°時的模型求解域，并通過有限元計算獲得對應(yīng)磁力線分布即磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖。

通過觀察分析不同結(jié)構(gòu)下磁力線分布即磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖可知，相對于普通的矩形磁極，塔形向心刺激磁通密度上升，磁位最大值下降。此外，當(dāng)β角取不通值時，穿過磁極線圈的磁力線數(shù)量不同，位置也不同。由此可知，磁極形狀對磁極線圈有明顯影響。

2.3 三種極靴類型結(jié)構(gòu)下發(fā)電機(jī)內(nèi)部磁場計算

極靴是抽水蓄能發(fā)電機(jī)磁極的一個獨(dú)特結(jié)構(gòu)，其作用于主磁極，減小氣隙磁阻，使主磁極磁場分布改善，易于固定勵磁組。運(yùn)用有限元軟件仿真計算不同類型極靴結(jié)構(gòu)下，抽水蓄能發(fā)電機(jī)內(nèi)部磁場分布情況，即一段弧、三段弧、五段弧下，磁場分布與磁場強(qiáng)度云圖。通過計算獲得不同極靴類型下的磁場參數(shù)如下表所示：

3 不同磁極結(jié)構(gòu)下轉(zhuǎn)子磁極電磁力分析

3.1 磁極線圈電磁力有限元計算與分析

抽水蓄能發(fā)電機(jī)在正常運(yùn)行時，氣隙中存在的基波磁場和諧波磁場相互作用，會產(chǎn)生徑向電磁力和切向電磁力，如果二者過大，則會對發(fā)電機(jī)勵磁繞組造成損壞，那么運(yùn)用計算公式對二者進(jìn)行計算，得到每個點(diǎn)上的電磁力值。在具體計算中，考慮到轉(zhuǎn)子槽內(nèi)磁場分布不均勻，因此在有限元軟件中，根據(jù)各三角的磁密和面積，建立電磁力模型，通過模型仿真計算得到左右兩個磁極線圈電磁力結(jié)果，算式為：

式中，f為電磁力，Sk為單元面積，k為單元編號，J為勵磁繞組電流密度，L為勵磁繞組長度，B為磁場大小。由計算可知，磁極受力很大，且雙側(cè)磁極受徑向力大小不一致，這對于發(fā)電機(jī)運(yùn)行時的危險系數(shù)會增加，不利于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，因此結(jié)合實(shí)際與模擬計算，對發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 優(yōu)化后磁極線圈受力對比

分別計算β=0°、β=3°、β=3.5°、β=4°時磁極線圈受力，以尋找最優(yōu)結(jié)構(gòu)形狀參數(shù)。當(dāng)β=4°時，線圈電磁力數(shù)值呈現(xiàn)下降趨勢，左側(cè)下降約2.1%，右側(cè)下降約3.3%;當(dāng)β=3.5°時，磁極線圈所受電磁力最大值的變化幅度更加明顯，相對于β=0°時，磁極線圈左側(cè)下降約17%，右側(cè)下降約15.1%;當(dāng)β=3°時，現(xiàn)對于其他三種結(jié)構(gòu)，切向電磁力的變化較為明顯，尤其是左側(cè)方向，下降約34%，右側(cè)下降約11.8%?？傮w來看，在不同形狀下，β=3°時切向力最小，切向力作用于線圈上會造成線圈斷裂，所以越小越好。當(dāng)磁極線圈設(shè)有擋塊時，電磁力減小有利于線圈安全運(yùn)行。相對于電磁力的最大值，電磁力的徑向與切向分量更值得關(guān)注。

3.3 優(yōu)化后阻尼繞組電磁力對比

在塔形向心磁極中，隨著β角度減小，徑向向下的電磁力增加。由分析可知，一段弧、三段弧、五段弧結(jié)構(gòu)下，徑向電磁力變化比較平緩。在抽水蓄能發(fā)電機(jī)中，阻尼繞組作用顯著，其能夠抑制磁場突變，減輕轉(zhuǎn)子震蕩，進(jìn)而穩(wěn)定系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。因?yàn)樽枘崂@組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，徑向電磁力大小更值得關(guān)注。由模擬計算結(jié)果分析可知，當(dāng)β=3°時，沿Y軸負(fù)方向的電磁力最大，阻尼繞組結(jié)構(gòu)對離心力起低效作用。

通過極身四種結(jié)構(gòu)、極靴三種結(jié)構(gòu)的模擬計算分析，比較極身結(jié)構(gòu)時β=4°時數(shù)值最大，β=3°時數(shù)值最小;比較極靴結(jié)構(gòu)時，一段弧最大，三段弧最小。由此可見，結(jié)合抽水蓄能發(fā)電機(jī)運(yùn)行實(shí)際，對轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化時，本文分析可提供參考。

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