（电力系统及其自动化专业论文）同步发电机非线性模拟机组设计研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文同步发电机非线性模拟机组设计 研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期i 日j ，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贞 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名；数蒸数日期：丝三；：； 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校町以采用影印、缩印或 其它复制于段复制并保存学位论文：学校町允许学位论文被查阅或借阅；学校 町以学术交流为目的，复制赠送和交换学仓论文；同意学校叮以用f i i 司方式在小同 媒体上发辰、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：芝幽 h期：型z ：互，易 导师签名： 日期： 2 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 设计研究同步发电机模拟机组的重要意义 多年来，课题组对大型同步发电机饱和非线性特性进行了广泛深入的研究1 0 2 l ， 得出了一系列有价值的结论。所研究工作先后受到2 个国家自然科学基金的支持。 而诸多条件的限制使得对大型电机负载饱和特性影响因素的研究停留在理论研究 阶段，现场试验难以实现而且用普通小型电机模拟大型电机时，在各种运行情况 下的过渡过程有严重的畸变。因此课题组正在努力研制出反映大型汽轮发电机异常非 线性特征的小容量同步发电机模拟机组，验证大型同步发电机仿真程序的准确性，为 大型电机饱和特性及参数特性的研究提供试验平台，它的参数和模型的计算和设计 研究对学校电力系统保护与动态安全监控实验室的建设也有一定实用价值 1 2 国内外研究现状 我国对电力系统物理模拟的研究从上世纪5 0 年代已经开始p - s l 。对小型模拟发 电机组的研究一般侧重于某一个方面。比如华北电力大学保定校区模型机是用于模 拟3 0 0 姗汽轮机组动态特性的1 5 k v h 两极隐极实芯转子模拟发电机，主要侧重于轴 系扭振的模拟研究，材质与原型机相同1 6 。清华大学设计的模拟机主要是应用相似 论方法，模拟大电机的外部动态特性，使模拟机的时间常数及参数等与大型机一致 【3 l 。 同步电机的精确模型和参数问题，国内外近年来主要着手于数值计算及在线辨 识两方面【7 1 1 l 。 对同步发电机非线性的研究也比较广泛1 1 2 - 1 3 。文献 1 通过理论分析和有限元 计算相结合的方法从铁磁饱和方面分析揭示了汽轮发电机的异常非线性现象，在非 正常运行条件下，交直轴同步电抗x d 与) ( q 并不是以往认为的相等，而是随着功角 增大，- - 者差别越来越大，当功角接近9 0 。时，】( d 的饱和值为1 7 左右，而) ( 口的 饱和值只有0 8 左右，出现了2 倍的关系。传统认为的负载特性与空载特性饱和程 度一致即可以用空载曲线来代替负载曲线的理论不再成立。文献 1 4 提出了出现 饱和特性曲线族的根源，即汽轮发电机的非线性特性主要受到磁路饱和与磁场畸变 双因素的影响，揭示了汽轮发电机复杂非线性特性的本质，进而发展了同步发电机 的非线性理论。 本论文所研究的模型机的设计目的主要有： 华北电力大学硕士学位论文 1 ) 对比试验实测数据与有限元计算结果，验证大型机仿真程序的准确性 2 ) 通过试验研究影响电机饱和特性的综合因素，进一步研究大电机的非线性 特性。 3 ) 研究转子匝间短路、带负载运行、研究轴电压、槽漏抗、不同节距磁场谐 波等 1 3 本文问题的提出，研究内容及主要贡献 1 3 1 问题的提出 课题组在以往研究中提出了汽轮发电机的非线性特性主要受到磁路饱和与磁 场畸变双因素的影响，揭示了汽轮发电机复杂非线性特性的本质，发展了同步发电 机的非线性理论。对反映大型机异常非线性特征的小容量同步发电机模拟机组的研 究停留在理论研究阶段在课题组原有研究基础上，设计出一台7 5 k w 同步发电机 模型样机，可用于验证大型机仿真程序的准确性，并进一步探求影响电机饱和特性 的综合因素。 1 3 2 本文的研究内容 研究为模拟大型汽轮发电机非线性特性而设计制造的7 5 k w 同步发电机模型的 典型运行特性，包括理论计算及试验研究。通过理论数据与试验数据对比，验证有 限元仿真计算程序的可靠性与实用性。分析对比其与3 0 0 m w 发电机空载特性及负载 饱和特性的相似性，得出结论如何设计才能使模型机更好的模拟大型发电机的非线 性运行特性。理论计算所采用的有限元计算方法，其理论基础参见文献 1 5 - 1 7 。 1 3 3 本文的主要成果 1 、以有限元仿真程序计算结果为基础，从空载特性和负载饱和特性两方面研究 7 5 k w 模型机与3 0 0 m w 大型汽轮发电机的运行特性相似性。得出结论：转子导磁 材料、气隙大小、气隙与定转子齿槽尺寸比及齿槽形状对电机主磁路、漏磁路都 有很大影响。 2 、设计试验电路，进行模型机的空载特性、短路特性、零功率因数负载饱和特性 等试验，对比试验结果与有限元计算程序算得的数据，验证有限元计算程序的正 确性和可靠性。 3 、应用课题组原有的有限元计算程序，重新设计剖分前后处理部分，使其适用于 模型机；增强程序计算功能。 2 华北电力大学硕士学位论文 第二章7 5 k w 模型机概述 本文主要研究7 5 k w 模型机与3 0 0 m w 汽轮发电机的非线性运行特性。二者结构 示意图分别如图2 1 ( a ) 和图2 i ( b ) 。 a ) 7 5 k w 模型机b ) 3 0 0 m w 发电机 图2 1 模型机与大型发电机定转子结构示意图 与3 0 0 m w 汽轮发电机结构相比，7 5 k w 模型机具有以下特点： 1 ) 定子、转子槽数与3 0 0 f l v 发电机相同 模型机定子、转子槽数的选择考虑了除要模拟实际大型发电机的饱和特性外， 还可实现对大电机齿谐波、电势波形及转子匝间短路等问题的模拟研究。 2 ) 转子槽窄而深，转子齿相对转予槽较宽且为平行齿 模型机转子槽深与转子半径之比为5 0 9 9 2 - - - 0 5 0 4 ；3 0 0 m w 对应比为 1 5 8 5 5 0 = 0 2 8 7 。模型机转子槽窄且深主要是为了能让转子齿稍宽一些，采用平行 齿主要是从机械强度方面考虑。3 0 0 m w 发电机转子是平行槽而不是像模型机的平行 齿。 3 ) 气隙小 模型机气隙与转予外径之比为0 8 9 9 2 = 0 0 0 8 1 ，3 0 0 m w 发电机对应比为 7 5 5 5 0 = 0 1 3 6 4 。3 0 0 m w 比值是模型机的近1 7 倍。模型机气隙与转子槽宽之比约为 0 8 7 ，3 0 0 m w 发电机对应比值约为7 5 4 0 ，3 0 0 m w 比值是模型机的近1 6 倍。气隙小 的原因主要是考虑在给定基本结构尺寸和磁场饱和度要求情况下，若气隙加大，所 需要的气隙安匝增加，损耗和转子温升上升1 1 8 】。 4 ) 定子铁心材料相同，转子铁心材料不同 图2 2 中对比了模型机与3 0 0 m w 发电机转子材料基本磁化曲线，两者的导磁能 3 华北电力大学硕士学位论文 力及饱和情况不同。其中3 0 0 m w 发电机的磁化曲线来源于哈尔滨电机厂提供数据， 7 5 k w 模型机转子材料的磁化曲线是委托北京电机厂实测所得。本文模型机计算程 序所采用的就是这条实测基本磁化曲线。 图2 2 转子磁化曲线对比图 两电机基本数据见表2 1 。 表2 17 5 k w 模型机与3 0 0 1 0 发电机基本数据 7 5 k w 模型机3 0 0 1 f f 发电机 额定功率因数0 8 50 8 5 额定转速( r m i n )3 0 0 03 0 0 0 定子外径( m ) 0 3 8 52 5 4 定子内径( m ) o 2 0 1 2 5 转子外径( ) 0 1 9 8 4 1 1 转子内径( )o o lo 1 2 轴长( m )o 1 15 2 额定定子线电压( v ) 4 0 0 2 0 0 0 0 额定定子电流( a )1 2 7 31 0 1 9 0 额定励磁电流( a )82 6 4 2 气隙( m ) 0 87 5 极距f ( m ) 0 3 1 41 9 6 3 5 定子槽深( m m )2 41 6 3 3 a 型槽( b 型槽) 转子槽深( m )5 0 1 5 8 ( 1 3 6 5 ) 转子齿口宽( ) 92 7 转子槽口宽( ) 2 54 3 3 气隙转子槽导体宽0 8 77 5 4 0 4 华北电力大学硕士学位论文 第三章模型机有限元计算基础及程序准确性验证 有限元方法在计算发电机运行特性方面应用比较广泛，文献 1 9 1 i $ 用有限元方 法，在完全模拟同步发电机实际运行工况的条件下，通过精确计算发电机内部电磁 场的分布情况，计算了同步发电机的空载特性、短路特性、负载特性、调整特性和 外特性等基本特性瞌线。以下对本论文有指导作用的有限元程序计算基础加以说 明。 3 1 有限元计算基础 3 1 1 基本向量图 图3 1 汽轮发电机的向量图 a 定予电流与d 轴夹角，取负值。( 求取额定励磁电流、负载饱和特性时都需要 迭代 ) 艿功角。端电压与空载电势目的夹角。( 求取负载饱和特性时需要迭代占) 妒。端部漏抗后的定子感应电动势与空载电势晶的夹角。( 求取负载饱和特性 时需要迭代妒，) 3 1 2 各种运行条件下同步发电机内饱和磁场及相关电气量的计算 求解各量之前，要进行有限元剖分，本文应用有限元三角元剖分得到4 个文件： 节点数及节点坐标文件( m o v e d a y 5 ) 、单元数及单元节点号文件( m o v e d a y 6 ) 、区域 数及各区域起止单元编号文件( m e t ) 、边界节点数及边界节点编号文件( m b i a n j i e ) 。 对于同步发电机给定的某种运行工况，电机的端电压u 、定子电流，和功率因 5 华北电力大学硕士学位论文 数c o s 妒都是确定的，但是励磁电流f ，和内功率因数角事先一般无法准确给出。因 此，通常的做法是： 1 、给出励磁电流、定子电流以及定子电流相量与d 轴夹角a 的初始值 i ) 形成系数矩阵( 根据给定的励磁电流赋电流密度，为定子电流赋定子上下层 导体的电流密度( d i a n l i u o 子程序) 形成计算定子导条向量磁位平均值时所 需的系数) ； 2 ) 计算系数矩阵容量( g n d 予程序) ； 2 、计算节点向量磁位a ( 求解二维恒定场( f e t w o t s 子程序) ) 1 ) 设置初值为0 ： 2 ) 牛顿一拉夫逊法解方程，得到相应三角元上的磁感应强度b 和磁导率弘的近 似值，以迭代差作为未知向量，以剩余向量为右端向量 3 ) 迭代直至计算精度要求。 3 、用中心差分法求出定予槽上下层之间的磁密，对磁密进行傅立叶分解，求出基 波磁密、电势，具体可参见文献【2 0 】 4 、求出端电压、功率因数 5 、判断端电压、功率因数是否收敛 6 、根据端电压的偏差调整励磁电流，根据功率因数的偏差调整 第3 步中计算得到的电动势并不是电机学中所定义的气隙电势瓦，而是与端部 电压只相差端部漏抗影响的去除端部漏抗后的定子感应电动势e ，。 玩- 4 4 4 t n t 。m t l - 4 4 4 i n k , , - - 。4 a 1 2 + 砰如 ( 3 1 ) 从而，减去端部漏抗压降的端电压( 相电压) 为 d 一应。一j & 。 ( 3 2 ) 进行同步发电机端点条件的迭代时，调整励磁电流的公式为： k 一删妒警 ( 3 _ 3 ) 式中，( 删) 为调整后的励磁电流值，j ，) 为本次计算采用的励磁电流值，卢为 励磁电流迭代的松弛因子，u 。为本次计算得到的端电压，u 。为要求达到的端电压。 调整a 的公式为： k 一r 。 ( 3 - 4 ) 6 华北电力大学硕士学位论文 式中，k ，为调整后的a 角，为本次计算采用的a 角，r 为a 角迭代的松弛 因子，为本次计算得到的功率因数角，为要求达到的功率因数角。 这里，定子铁心有效长度0 以及端部漏抗x 。的计算采用文献 1 8 中给出的公 式。 3 1 3 电流折合 为了计算负载饱和特性曲线族，首先给定励磁电流f ，、定子电流，及定子电流 与d 轴夹角a ，求出合成电流，z ，进而按文献 2 2 方法求解饱和场，得到功角及气 隙电势。合成电流按下式计算。 i l i 撩f + i 4 了+ 砖( 3 - 7 ) 其中：定子电流d 轴分量 定子电流q 轴分量 五励磁电流 由于电机负载运行定转子中都有电流，而l a 励磁电流与1 a 定子电流作用效果 是不相同的。为了二者相加减，需要折合到某一侧。由于定子电流的基值一般选择 定子额定相电流，主要是对励磁电流向定子侧折合。励磁电流基值的确定主要有以 下方法【2 1 l ： 1 ) 励磁电流基值j r 。产生的励磁磁动势与定子电流基值产生的电枢反应磁动势 相同，利用这种方法确定的转子回路基值系统称为磁动势系统。 2 ) ，。产生的基波磁通或相应的感应电动势与定子电流基值产生的电枢反应基 波磁通或相应的感应电动势相同。按此方法确定的转子回路基值系统称为 z 。系统。多数采用的是这种。 以下具体介绍这两种方法。 3 1 3 1 磁动势系统 以往有限元计算程序中采用的是此方法，原理及推导过程参见文献 1 7 。根据模型 机的参数计算出定子电流基值和励磁电流基值之比为2 3 6 7 ，对7 5 k w 模型机，定子电 流基值k - 1 2 7 3 6 a ，所以励磁电流基值f m - 5 3 8 a 。 3 1 3 2 】【| d 系统 在磁场不饱和情况下计算出只有定子电流及转子电流单独作用产生相同电势 所需要的电流比，经计算，1 a 的励磁电流单独作用产生的电势与2 7 1 a 的定予电流 单独作用产生的电势相同，随着电流的增大，二者比例在2 7 1 2 6 8 之间。本文取 ， 2 7 ，即一2 7 ，定子电流基值取额定时的1 2 7 3 6 a ，得出转子电流基值为4 7 2 a 。 l ， 7 华北电力大学硕士学位论文 对本文7 5 k w 模型机而言，采用磁动势系统和x 。系统所确定的励磁电流基值 分别为5 3 8 a 和4 7 2 a ，差别比较大，因为最终关注的是合成磁势( 定转子电流) 对合成电势的贡献，因此本文选用电动势相等原则来确定转子电流基值。 3 1 4 额定励磁电流 文献【2 2 基于保梯电抗法采用e x c e l 软件编制数值计算程序，来推算电厂负载 温升试验时额定负载励磁电流和间接测定无刷励磁同步发电机负载励磁电流。 除计算空载特性不需要知道额定励磁电流i 。外，其它运行特性的计算多数情况 下需提前给定励磁电流。其有限元计算过程是：赋定子电流为额定值，给励磁电流 i ，及a 随意初值，进行非线性磁场计算求出端电压【，及功率因数c 0 6 p ，根据端电压 的偏差调整励磁电流i ，使端电压到接近额定值；根据功率因数的偏差调整a 使功率 因数接近额定，二者均满足即得到励磁电流的额定值本文7 5 k w 模型机额定定子 相电流为1 2 7 3 6 a ，计算得到额定励磁电流为9 a 3 1 5 负载饱和特性计算机算法 一般的负载特性关系式u 一，o ，) 是指电枢电流，为常数、功率因数s 妒为常数 时，端电压与励磁电流之间的关系曲线。文献 1 9 3 应用有限元计算方法计算的就是 这二者关系得负载特性曲线。本文所研究的负载特性是指易一，以) ，确切的说应 该是负载饱和特性，是为了与空载特性对应而研究的气隙电势与合成磁势之间的关 系曲线。其中合成磁势的大小是通过励磁电流与定予电流二者的合成电流的大小来 表现的。这样就可以将空载特性曲线与负载饱和特性曲线放在一起来研究电机运行 的饱和情况。电枢电流与励磁电流的合成电流j ，的求法参见第3 1 3 节。本文中计 算得到的电动势e 。采用去除端部漏抗后的定子感应电动势层。其计算公式见 ( 3 - 1 ) 。 负载饱和特性的算法是假设励磁电流为某固定值f ，设定功角为某值龟，改变 定子电流，的大小及相位( 即图3 1 中的a 角) 从而得出气隙电势与合成磁势的关系 曲线。 具体过程是：给定励磁电流f ，、功角龟及某一a 角，粗略计算定子电流初值( 即 调用子程序c a l d i a n s h u l ) ，进行非线性磁场计算，得出定子感应电动势既及e ，与 空载电势玩之间的夹角妒，( 见图3 1 ) ，进一步求出功角6 ，根据6 与壤的偏差用小 步长调定子电流至功角满足条件。 也可以采用其他计算方法，比如设定励磁电流与定子电流d 轴( 或q 轴分量) f ，厶( 或f ，l ) 为某常数，给定功角壤，根据不同的a 角得出曲线。计算过程中根 一 据公式) 一 枷) + r 孚调整a 角，直到6 满足要求。注意计算过程中为了能 8 华北电力大学硕士学位论文 较快的收敛，先根据向量图3 i 估算 初值。 本文主要采用固定励磁电流的方法。 d 轴饱和特性是负载饱和特性的特殊情况，指定子电流只有d 轴分量无q 轴分 量的运行情况。当励磁电流与定予电流之比f ，厶为正值时，定子电流与d 轴夹角a 为。度，电枢反应为直轴助磁；当f ，l 为负值时，a 角为一1 8 0 度，此时电枢反应为 直轴去磁，其计算方法参照负载饱和特性。 模型机与3 0 0 m w 发电机的d 轴饱和特性及负载饱和特性比较将在第五章作具体 分析研究。 3 2 有限元程序准确性验证 本文主要是从空载和负载饱和特性两方面对模型机及3 0 0 m w 发电机的相似性进 行对比。前提就是要保证计算程序的正确性和可靠性。以下对比空载、短路及零功 率因数负载特性的计算机计算数据与试验数据，来验证有限元计算方法的实用性。 3 2 1 空载特性 空载特性u 一( i ，) ：当定子电流为0 ，空载电动势( 即端电压) 与励磁电流之间 的关系曲线田l 。发电机的空载特性电抠电流为零，也不需要考虑功率因数，是一种 特殊的负载饱和特性。它需要考虑铁心磁导率的饱和因素。 空载特性的求取可以通过a n s y s 软件、有限元方法、a n s o f t 软件等1 2 4 - 2 6 1 。模型 机采用有限元计算方法，计算程序：电枢电流设为o ，给定励磁电流( 从0 开始增 加) ，进行非线性饱和场的计算，依次计算出向量磁位、磁通密度，进而得到与之 相对应的空载电势e o 。由于定子电流为0 ，所以u - e ，从而得出u - f ( i ，) 的关系 曲线。此计算过程不需要电压或者角度的迭代。 表3 1 是模型机计算数据及试验数据对比，计算与实测曲线如图3 2 。除靠近 起始位置的两点由于绝对值小误差大以外，其它点的误差都很小。起始位置两点误 差较大的原因一是电压和电流值都很小，读数误差会对相对误差造成较大影响；二 是测量小值时所用表计与较大值时所用表计不同，更换表计对测量造成一定误差： 三是试验读数前需反复通正反向励磁电流以去磁，至端电压接近0 再逐渐增磁，所 以试验不是完全从零磁场开始；而有限元计算程序中所采用的实测磁化曲线是严格 从零开始的磁化曲线，因此在起始两点出现较大误差。 通过数据对比可以得出结论：用有限元计算程序计算出的零初始条件下上升空 载特性，与相同条件下测得的空载特性曲线非常接近，证明程序的准确性和可靠性， 因此可以用有限元计算数据与3 0 0 m w 对应曲线作对比分析。 9 华北电力大学硕士学位论文 表3 i7 5 k w 模型机空载特性 序号励磁电流( a )空载电势计算值( v )空载电势实测值( v )误差( ) 10 5 2 51 7 2 81 1 64 9 6 1 2i 0 4 04 6 8 14 38 8 6 3 1 6 7 59 1 3 09 2 81 6 2 42 0 5 01 1 8 4 5 1 2 0 11 3 7 52 4 7 51 4 8 4 91 4 5 42 1 3 63 0 5 0 1 8 0 5 41 7 9 30 6 7 73 6 2 02 0 3 3 72 0 3 30 0 2 8 4 1 2 02 1 8 5 72 1 8 1o 2 0 94 6 0 02 3 1 3 02 3 3 4 0 9 0 1 0 4 9 8 02 4 0 3 82 4 1 90 6 1 1 15 5 4 02 5 2 3 42 5 2 9 一o 2 l 1 2 6 0 0 02 6 0 7 92 6 1 5一o 2 6 3 2 2 短路特性 短路特性j 量- ( i ，) 是端电压u 一0 ，发电机短路电流与励磁电流之间的关系曲 线。短路时气隙电势较小，气隙磁密也较小，电机磁路处于不饱和状态，合成磁势 也较小。电枢反应磁势和励磁磁势方向相反，起直轴去磁作用。 有限元计算程序是针对某一固定的定子电流计算出能够完全抵消定子磁势的 励磁电流，理论上要求得到的定子端电压为0 ，在程序中，只要得到的端电压满足 误差要求即可。令图3 i 中a 为一1 8 0 0 ，根据i ，与，的比值( 前文中有关电流基值一 节利用z 。基值系统时提到的系数2 7 ) 估算励磁电流，进行磁场计算，由公式( 3 2 ) 得到定子端电压【厂，按公式( 3 3 ) 调整i ，至u 满足要求。由于额定电压为2 3 0 v ，所 i o 华北电力大学硕士学位论文 本程序中端电压达到1 v 以内迭代结束。 表3 2 是模型机短路计算数据及试验数据对比，计算与实测曲线如图3 3 。两 者误差都很小。 表3 27 5 k w 模型机短路特性 序号定子电流( a )励磁电流计算值( a )励磁电流实测值( a )误差( ) 11 1 3 60 5 1 5 3o 5 56 3 1 22 2 1 8i 0 0 4 61 0 43 4 0 33 5 9 3i 6 3 4 61 6 50 7 8 45 0 1 12 2 4 5 32 2 92 0 6 56 7 5 03 ，0 1 0 03 0 5一l - 3 l 67 6 7 03 3 9 1 63 4 5一1 6 9 79 2 3 04 0 4 0 44 1 52 6 4 81 0 3 2 04 4 6 3 64 ，6 13 1 8 91 2 3 2 05 2 7 3 65 5 04 1 2 1 01 3 7 0 05 8 3 6 06 1 04 3 3 澎表中的误差百分比。f 蔫盏掣- 嗍 | k i a 3 2 3 零功率因数负载特性 图3 3 短路特性曲线图 同步发电机带纯感性负载，保持负载电流i 固定，发电机端电压随励磁电流变 化的特性曲线u f ( i ，) 计算程序是令图3 1 中a 为一1 8 0 ，定予电流设定为额定值不变。给定励磁电 流，进行非线性饱和场计算得到与之相对应的端电压。确定起始励磁电流( 即该曲 线与横坐标的交点) 的方法同计算短路特性的方法相同。其他点可以根据实际需要 i i 华北电力大学硕士学位论文 设定。 试验时可以选用一般的电抗器、空载的变压器作为负载，或者把电机直接并入 电网。本试验选用自耦调压器。表3 3 是模型机零功率因数负载饱和特性计算数据 及试验数据对比，计算与实测曲线如图3 4 。 表3 37 5 k w 模型机零功率因数负载饱和特性 序号励磁电流( a )端电压计算值( v )端电压实测值( v )误差( ) l6 1 24 5 0 9 73 0 34 8 8 3 26 78 6 5 5 3 17 4 91 5 5 6 37 0 31 0 9 3 8 9 69 21 8 9 0 47 4 81 3 5 5 4 21 1 4 71 8 1 7 57 9 31 5 5 7 0 6 61 4 5 57 o l 68 5 1 7 4 6 4 5 31 7 2 1 1 4 8 71 0 1 42 1 2 9 7 8 62 0 5 83 4 9 8 1 0 6 7 52 2 3 7 9 0 7 2 1 54 0 9 91 0 9 42 2 8 1 3 2 92 2 2 42 5 8 l o1 1 62 3 6 8 2 4 92 3 2 51 8 6 图3 4 零功率因数负载饱和特性曲线图 华北电力大学硕士学位论文 第四章基于空载特性相似性的模型机设计研究 4 1 现有模型机与3 0 0 u 发电机空载特性相似性对比 空载特性是同步发电机的基本特性之。它可以反映出电机磁路饱和的程度， 尤其是主磁路。正常设计的电机，磁路饱和程度控制在一定范围内。如果设计的太 饱和，将使励磁绕组用铜太多，运行时调节电压也很困难；如果饱和度太低，则铁 心利用率太低，浪费材料，运行时负载变化引起的电压变化较大。所以研究模型机 与3 0 0 卿发电机的相似性首先从空载特性开始。 先讨论其有名值曲线c ，- f f f ，) ，然后通过选择适当的基值，讨论模型机与3 0 0 m w 发电机，- f f f ，) 标么值曲线的相关性。 4 i 1 c ，f f f ，) 采用有名值曲线 用有限元程序计算出模型机空载曲线如图4 1 所示。图中，观直线为取定转 子铁心相对磁导率以- 7 0 0 0 时计算得到的u f ( 1 1 ) 线；直线为取定转子铁心相 对磁导率以5 0 0 0 乖t - ；- i - g n n n u - ，以) 线；o a ，直线为取模型机定子铁心最大相 对磁导率以- 2 3 2 7 、转子铁心最大相对磁导率段一3 9 8 时计算褥到的u - 1 ( i ，) 线 o a 4 曲线为定、转子铁心分别取实际材料磁化曲线时计算得到的，- ，( ，) 线，即饱 和线。 图4 17 5 k w 模型机空载计算曲线 图4 2 为3 0 0 m w 发电机在与图4 1 完全对应条件下计算得到的u 一，( ) 线。图 中0 坞直线对应的定、转子铁心最大相对磁导率分别为2 3 2 7 和6 2 4 。 华北电力大学硕士学位论文 图4 23 0 0 肼发电机空载计算曲线 图4 1 和图4 2 中b c 线为达到各自额定端电压时对应的直线。从两图可以看 出，o a , 与c 直线非常接近，说明在认为定、转子铁心具有很高的导磁率时，铁心 中所降磁压降几乎可以忽略不计，即可认为瓯线为反映气隙磁压降的实际气隙线。 两图对比可以给出模型机与3 0 0 i w 发电机的，1 ，u ，) 曲线存在以下两大差异。一是 模型机产生相同的端电压时，气隙磁压降与电机实际总磁压降数值相差很大，即使 在铁心不饱和的低压阶段，这种差异仍存在，说明模型机铁心中所降落的磁压降占 总磁势相当大的份额；对于3 0 0 姗发电机，气隙线与实际电机饱和线很接近，低压 段两条曲线重合，说明3 0 0 姗发电机铁心磁压降很小，不饱和时可忽略不计。差异 二是模型机的气隙线与其实际饱和线的线性段切线是不重合的，而3 0 0 m w 发电机对 应的上述两条曲线基本重合。 传统意义上的气隙线一般选择空载特性的线性部分，从图4 1 和图4 2 中可以 看出，这种取法并不适用于所有同步电机。所以发电机空载特性气隙线如何定义， 需要进一步探讨。 4 1 2 r - ，( f ，) 标么值曲线 为了对模型机与3 0 0 m w 发电机空载特性相似性进行对比，将两电机的u f ( 1 ，1 曲 线取标么值处理。让两台电机的气隙线( 即观线) 取标么值后重合，看实际饱和 特性与气隙线的靠近程度。电压基值选各自电机额定端电压，电流基值选此时各电 机气隙线上对应的励磁电流，即模型机与3 0 0 m w 发电机端电压和励磁电流基值分别 为2 3 0 9 4 v 、2 4 1 a 和1 1 5 4 7 3 v 、8 9 2 a 。 图4 3 为两电机u f ( t ，) 标么值曲线。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 图4 3 应用标么值的空载计算曲线 从图4 3 可以看出，两台电机饱和曲线形状差异很大，相似性不好。若按照额 定电压下对应的总磁势与气隙磁势之比定义饱和系数，由图4 1 和图4 2 得7 5 k w 模型机和3 0 0 m w 发电机的饱和系数分别为1 9 1 2 ，为1 1 4 5 。 显然导致模型机空载特性相似性差的主要原因是铁心磁压降占总磁势的份额 太大。解决办法可以从两方面着手：一是选用高导磁性能的转子铁心材料，另一个 是增大气隙，减小铁心磁路长度比例。 4 2 改变转子材料及气隙后模型机与3 0 0 m w 发电机空载特性相似性对比 以下所涉及的模型机转予材料及气隙的改变是在假设模型机尺寸不变、不考虑 定转子温升的极为理想的前提下进行的只是为了从理论方面分析，并没有综合考 虑诸如在实际生产中能否实现、电机容量是否满足要求等问题。 4 2 1 改变转子材料对空载相似性的影响 模型机转子分别换用与3 0 0 m w 相同的较高导磁材料及l o 号钢，气隙大小不变。 p u 图4 4 改进模型机转子材料后空载计算曲线 华北电力大学硕士学位论文 空载计算曲线从右向左依次为：现有7 5 k k w 模型机、模型机应用3 0 0 m w 转子 材料、模型机采用l o 号钢、3 0 0 m w 发电机以及气隙线。显然，模型机转子换用较好 的导磁材料后，饱和曲线与3 0 0 m w 发电机的饱和线相似性有所改善，但仍达不到较 为理想的情况。下面分析改变气隙的状况。 4 2 2 不同气隙对空载相似性的影响 增加模型机的气隙长度及电机容量，保持额定电压下对应的气隙磁密与原模型 机相同，转子选用3 0 0 m w 转子材料。 图4 5 为不同气隙模型机【，一f ( b ) 标么值曲线 图4 5 模型机加大气隙后空载计算曲线 对于气隙4 8 m m 的模型机，按照前面饱和系数的定义方法，在额定电压下的饱 和系数为1 1 4 8 ，与3 0 0 姗电机饱和系数1 1 4 5 很接近。 综合本小节与4 2 1 节关于材料导磁性能对空载相似性影响可知，若转子材料 选用比3 0 0 m w 转子材料更好的导磁材料，电机的模拟效果会更好。若单纯考虑气隙 及转子材料，当气隙介于0 8 4 8 m m 之间、转子材料选用介于现有材料及1 0 号钢 之间的某种材料时，一定会使模型机的空载运行特性有很好的改善并且基本模拟 3 0 0 w 发电机。 4 2 3 气隙磁密的选择 由于结构的差异，现有7 5 k w 模型机与3 0 0 m w 汽轮发电机空载运行时产生较大 磁密的部位也不相同，见如图4 6 。 华北电力大学硕士学位论文 a ) 7 5 k w 模型机转子较大磁密b ) 3 0 0 岍汽轮机转子较大磁密 c ) 7 5 k g 模型机定子较大磁密d ) 3 0 0 姗汽轮机定子较大磁密 图4 67 5 k w 与3 0 0 肼电机空载时较大磁密位置图 图中重点标出的黑色区域为定转子磁密较大的部位，着重加黑的单个三角单元 为磁密最大的位置。 转子较大磁密：模型机见图4 6 ( a ) ，较大磁密出现在两处：一是靠近大齿的 几个小齿齿根与槽底交接的位置，且距大齿越近磁密约大；二是转子内圆接近q 轴 的位置。最大磁密出现在大齿与第一个转子槽根部相连接位置。3 0 0 胂汽轮机见图 4 6 ( b ) ，较大的磁密出现在靠近大齿的几个小齿较窄的位置。最大磁密出现在第一 个转子深槽相邻的齿部较窄的部位。 定子较大磁密：模型机见图4 6 ( c ) ，较大磁密出现在转子大齿相对的定子齿 盲槽顶及底的位置，最大磁密出现在与转子大齿靠近第一个转子槽的位置相对的定 子齿盲槽底部。3 0 0 姗汽轮机见图4 6 ( d ) ，定子较大磁密出现在转子大齿相对的 定子齿顶位置，最大磁密在靠近d 轴的定子齿顶位置。 空载运行、一1 o u ，时3 0 0 婀发电机与7 5 k w 模型机转子和定子较大磁密所 在圆周及对应圆周上的磁密分布如图4 7 和4 8 。磁密分布曲线横轴一9 0 。至9 0 。指从 一d 轴到+ d 轴的右半个圆周；纵坐标从0 至2 5 t 为磁密值。 图4 7 a ) 和b ) 两图中3 0 0 姗发电机转子较大磁密所在圆周的齿部磁密在 0 2 - 2 o t 之问，并且越靠近q 轴位置，磁密越小，对应圆周处槽部磁密都很小，在 0 3 1 以下；图4 7 c ) 模型机转子较大磁密所在圆周的各单元磁密在1 2 - 2 o t 之间， 不存在3 0 0 m w 靠近q 轴磁密接近0 的情况，说明模型机在整个转子轭部磁密比较均 匀。 1 7 华北电力大学硕士学位论文 j_|了 。， _ 一_一 _- 。- 一_ 一 胤；。 一 -。 。- 一 1 ， v a ) 3 0 0 l o v 发电机转予较大磁密所在圆周及磁密分布1 窖 1 、 一删 -+ 一 - r _ i 一上j l 一一 一 yv 一砸珈 | ，、 c ) 7 5 k w 模型机转子较大磁密所在圆周及磁密分布 图4 73 0 0 m w 发电机与7 5 k w 模型机转子较大磁密分布图 1 8 华北电力大学硕士学位论文 a ) 3 0 0 m w 发电机定子较大磁密所在圆周及磁密分布 删 i 4 8 - i a j洲 b ) 7 5 k w 模型机定子较大磁密所在圆周及磁密分布l 譬 胜 删州螋 删 诋 c ) 7 5 k w 模型机定予较大磁密所在圆周及磁密分布2 图4 83 0 0 m w 发电机与7 5 k w 模型机定子较大磁密分布图 图4 8 a ) 中3 0 0 m w 发电机定子较大磁密所在圆周的齿部磁密在o 一2 2 t 之间，并 且越靠近q 轴位置，磁密越小，对应圆周处槽部磁密在0 2 t 以下；图4 8 b ) 模型机 1 9 华北电力大学硕士学位论文 定子较大磁密所在圆周的各单元磁密与a 图类似，但数值较小，在o 1 4 5 t 之间。 空载e o 一1 o u ，时，模型机与3 0 0 1 哪发电机气隙基波磁密及定转子最大磁密对 比见表4 1 。 表4 1 额定时最大磁密对比 7 5 k #3 0 0 胛 气隙基波磁密0 7 2 4 t 0 9 9 7 t 转子部分磁密最大值 2 0 2 t2 2 2 t 定子部分磁密最大值 1 4 8 t2 1 3 t 根据此表，额定状态时，定子磁密比3 0 0 m w 汽轮机相对应部位小很多，远没有 达到饱和状态；而模型机转子较大磁密和3 0 0 姗相差不多，气隙磁密比较低。当加 大气隙至4 8 m m 、转子材料选用2 0 号钢时，表4 1 中的气隙基波磁密、转子磁密最 大值、定子磁密最大值分别为：0 7 t 、1 9 7 t 、1 3 5 t ，可见加大气隙提高转子材料 磁导率并没有提高气隙基波磁密。主要原因在于模型机转子铁心及齿槽结构的特殊 性与3 0 0 婀汽轮机相比，模型机转子槽较深，铁心有效导磁面积比例小，使得转 予铁心较早的进入饱和，表现在空载特性曲线上就是曲线在不太大的气隙磁密时就 开始弯曲。为了更好的模拟3 0 0 m w 汽轮机的运行特性，模型机的齿槽结构需要作合 理调整，在第五章第2 节中具体介绍。 华北电力大学硕士学位论文 第五章基于负载特性相似性的模型机设计研究 负载饱和特性的求法参见第三章， 轴饱和特性和负载饱和特性的曲线图、 电机的负载特性相似性。 本章以第四章空载特性相似性为基础，从d 磁场分布图等方面来对比模型机与3 0 0 m w 发 5 1 现有模型机与3 0 0 w 发电机负载饱和特性对比 5 1 1d 轴饱和特性 d 轴饱和特性是负载饱和特性的一种特殊情况，指定子电流只有d 轴分量无q 轴分量的运行情况合成电流的方向在d 轴( + d 轴或一d 轴) 。以下分别对3 0 0 姗发 电机和7 5 k w 模型机d 轴饱和特性曲线图及磁场图加以对比分析。 3 0 0 m w 发电机和7 5 k w 模型桃在励磁电流与定子电流标么值之比f ，。为0 5 ， 一2 时d 轴饱和特性曲线图与空载曲线对比如图5 1 。 e l ，p ，u 乞p u a ) 3 0 0 m w 发电机 b ) 7 5 k w 模型机 圈5 13 0 0 m w 发电机和7 5 k v 模型机d 轴饱和特性曲线 图中中间一条曲线为空载特性曲线。比值为正值表示电枢反应磁势对励磁磁势 起直轴助磁作用，仅输出超前无功；比值为负表示起直轴去磁作用，仅输出滞后无 功。从图中看出：3 0 0 m w 发电机输出超前和滞后无功的两条曲线与空载特性曲线存 在较大差异，并且输出滞后无功时饱和特性明显向右倾斜。而7 5 k w 模型机这三条 曲线几乎重合。这是因为磁路的饱和是由主磁场和定转子漏磁场共同决定的。前者 主要由合成磁势的大小、位置决定，而后者则主要由定子电流及转子电流各自的大 小分别确定。由于相对于定子铁心，转子铁心的导磁性能较差，所以转子漏磁场的 强弱对饱和特性影响更大。对于d 轴饱和特性，当确定气隙电势为某值，在发电机 华北电力大学硕士学位论文 输出滞后无功时，所需励磁电流较大，相应的转子漏磁场较强，使得转子铁心轭部 及齿根相应部分更饱和，于是产生一定大小的气隙电势就需要更大的合成磁势。 3 0 0 u w 发电机由于气隙所占比例较大，转子漏磁对饱和特性影响较大，因此输出超 前无功和滞后无功时饱和特性曲线与空载特性曲线存在较大差异。而7 5 k w 模型机 气隙很小，转子漏磁少，因此三条曲线几乎重合。从磁场图可以清楚地看出转子漏 磁场的情况。 3 0 0 u w 发电机输出超前或滞后无功、气隙电势e 。一1 0 u s 时d 轴磁场图如图5 2 。 7 5 k w 模型机输出超前或滞后无功时d 轴磁场几乎相同，如图5 3 。 曲i f f l l 2 0 5 b ) i i1 1 4 2 图5 23 0 0 k q v 发电机e d 一1 0 u 时d 轴磁场 图5 37 5 k w 模型机b 一1 0 u 时d 轴磁场 图5 2 b ) 3 0 0 m w 发电机输出滞后无功比a ) 图输出超前无功时，转子漏磁场较强。 而7 5 k w 模型机则表现不出漏磁场的存在。 5 1 2 负载饱和特性对比 d 轴饱和特性是负载饱和特性合成磁场在d 轴的特殊情况，以下比较合成磁场 在任意位置时的情况，采用固定励磁电流f ，= 1 0 i ( 额定励磁电流) 的方式比较功 角为1 5 和7 5 。时负载饱和特性曲线族。 华北电力大学硕士学位论文 a ) 3 0 0 姗发电机 b ) 7 5 k w 模型机 图5 4 固定i ，- 1 庙对7 5 k w 模型机与3 0 0 1 0 发电机负载饱和特性曲线 图5 4a ) 中3 0 0 m w 发电机励磁电流固定在额定值，当气隙电势低于额定电压时， 随着功角的增大，产生相同气隙电势需要的合成磁势也增大，对应的曲线整体向右 下方偏移。而b ) 图7 5 k w 模型机没有表现出那么大的差异。以功角7 5 、气隙磁势 乜一1 o 【，时3 0 0 h 哪发电机与7 。5 k w 模型机负载运行磁场图5 5 为例，3 0 0 m w 发电机 存在漏磁场及主磁场磁力线斜穿转子槽、气隙和定子槽的磁场畸变现象。而7 5 k w 模型机由于气隙小、转子槽宽齿窄、定子槽窄齿宽，使得转子漏磁和磁场畸变情况 几乎不存在。 幻3 0 0 m w 发电机 b ) 7 5 k w 模型机 图5 5 i l - 1 o 、功角7 5 、e j - 1 o u n 时磁场图 要模拟3 0 0 m w 发电机的负载特性，需要对现有模型机在空载特性相似性改进基 础上作进一步的研究。由第四章空载特性相似性对比得出结论，改变气隙和转子材 料可以使模型机与3 0 0 m w 发电机空载特性相似性有所改善。由负载饱和特性相似性 的对比得出结论：模型机定转子齿槽结构也需要作进一步调整。 华北电力大学硕士学位论文 5 。2 改进后模型机与3 0 0 m g 发电机负载饱和特性对比 在选用较好的转子材料( 选2 0 号钢) 基础上，分别从加大气隙、改变定转子 槽两方面来分析如何调整才能使模型机与3 0 0 m w 发电机负载特性相似性有所改善。 分析方法与5 1 节类似。 5 2 1 加大气隙 保持现有模型机定、转子槽和体积都不变，转子外圆及相关齿槽缩小1 2 m m ， 即气隙从0 8 m m 加大到2 m m ，电枢绕组和励磁绕组匝数都不变，假设导线可以承受 原来2 5 倍的电流，并且转子发热在允许范围内。电机的额定容量设定为原来的2 倍，即由7 5 k w 增为1 5 k w 。转子材料选用2 0 号钢7 5 k w 、1 5 k w 、3 0 0 k f i v 磁化曲线 对比图如图5 6 。图中2 0 号钢磁化曲线是查常用钢材磁特性曲线速查手册所得。 日m 图5 6 模型机与3 0 0 1 栅发电机转子磁化曲线对比 图中从左至右分别为2 0 号钢、3 0 0 m w 发电机转子材料、7 5 k w 模型机转子材料 磁化曲线。1 5 k w 模型机所用的2 0 号钢的导磁性在这三种材料中是最好的。 5 2 ，1d 轴饱和特性 1 5 k w 模型机与7 5 k w 模型机在励磁电流与定子电流标么值之比i ，