发电电动机电动工况不同负载状态运行特性的研究

1、发电电动机电动工况不同负载状态运行特性的研究(哈尔滨理工大学,黑龙江哈尔滨,150080)摘 要本文以一台250mw发电电动机作为研究对象，根据同步电机运行的基本原理，利用ansoft有限元分析软 件建立电机磁场瞬态模型，给出边界条件及网格剖分。在励磁电流不变情况下，对不同负载状态运行过程逬行数值 计算。把所得各项电气参数计算值与实验数据进行比较分析，并验证分析正确性。关键词抽水蓄能；同步电机；有限元法；运行特性中图分类号1 tm34文献标识码| b文章编号1000-3983(2007-0072-03study on the operation performance for pumped-s

2、torage machine working as motorwith different load conditionge baojun, lu song(harbin university of science and technology, harbin 150080, china)abstract: this paper takes a 250 mw power generation motor as the research object, according to the basic principle of synchronous motor running, and the m

3、otor transient magnetic field model is established with fem software ansoft, then the boundary conditions and mesh subdivision is also given.under the condition of constant excitation current,the transition process of different load condition were calculated, and compared with the tested one. the si

4、mulation and experimental results verify the coirectness of the analysiskey words: pumped storage; synchronous motor; fem; operation performance1引言随着风能、太阳能等新能源大规模接入电力系统， 抽水蓄能电站的发展日趋突显，同时对电力系统的安 全稳定运行肩负更加重要的作用。和常规水电站相比, 抽水蓄能电站的发电电动机具有双向旋转、工况转换 频繁、过渡过程及边界条件复杂等特点。而发电电动 机在整个电站的安全稳定运行中起着重要的作用。研究发电电动机抽水工况

5、过渡过程的特性、各电 气参量的变化规律，对跟踪电网无功输送、改变电网 功率因数、抽水蓄能电站的稳定、可靠运行起着极重 要的作用。对提高电站及机组设计水平、高效运行有 着十分重要的意义。本文以一台250mw同步电动机作为研究对象， 根据同步电动机的基本原理和交流电机过渡过程的基 本理论利用ansoft软件中的maxwell 2d建立二维仿真 模型。采用时步有限元法在保持电机的额定励磁电流 不变情况下进行减负载仿真计算，研究其定子电流， 功角，功率因数，有功功率，无功功率等变化特性。2数学模型的建立瞬态求解过程中负载变化的运行特性分析需要得 到比较精确的计算。为了确定被求解区域磁场的微分 方程和边

6、界条件，分析时做如下假设卩(1) 不考虑端部效应，定子铁心中涡流和磁滞损耗 忽略不计；(2) 假设电机内部磁场为似稳场，忽略位移电流；(3) 假设在整个过程中，电动机以同步转速旋转；(4) 相对于磁极极距的尺寸来说，气隙很小并且是 均匀的，因此其磁感应强度一般只考虑径向分量，且 认为沿电机的轴向是不变的，采用二维场模拟磁场分 布。以一台250mw发电电动机作为样机进行研究，该电机为整数槽的凸极同步电机，考虑各极下的结构 图形相同，电机极数较多，且结构尺寸比较大，为了 减小计算量，提高求解效率，本文仅取电机一对极作 为求解域进行计算。电机主要参数如表1所示。电气参数数值电气参数数值额定视在功率(

7、kva)286380定子内径(mm)7500额定输出功率(kw)277150定子外径(mm)8500额定电压(v)15750励磁绕组匝数29额定电流(a)10497.9额定转速(r/min)250功率因数0.98极对数12额定励磁电流(a)16()0定子槽数360表1发电电动机主要参数发电电动机求解域如图1所示。建立仿真模型时 需要特特殊说明的是，此电机极靴圆弧为三段圆弧式 结构，两侧圆弧所在圆是中间圆弧所在圆的内切圆。 建模过程中为使模型更准确，需采用圆心定位法求其 圆心，使用此法可缩小模型误差，使计算更加精确。图1 一对极下发电电动机模型结构图求解区域如上所示，在上述假设条件下用矢量磁 位

8、力表述的瞬态电磁场边值问题为8 ad a da. r()4-() = -jvdx ju dx dy> pi dy()|ab=0|cd=0其中“为磁导率，丿,为源电流密度；3抽水工况计算分析3.1抽水工况下额定负载的计算发电电动机在正常电动抽水工况时，作为电网负 载吸收电能，直接由电网供电，定子绕组电流为三相 正弦对称电流。利用ansoft瞬态仿真，计算电动机在 额定负载状态下的电气参量及曲线图。为便于进行数 据比较分析，截取电机稳定后的一个周期4.495s到 4.515s时定子a相电流及输入a相电压，如图2所示。经计算值与实验值对比可知，计算值大小在 电流，有功功率，功率因数上与实验值很

9、接近，均在 误差范围内，符合实验要求。10000 005000 000 005000 0012.86:5 00 卜0 00>10000.00-15000 00:-10 00映00mx1j4.5000图2 个周期定子a相电流电压波形图由图可知，/0= 10503.05a , zmax=14571.84a , )=6.8lkv ,max=12.86kvo 经计算可得到 cos牛().97 , 庐 14.15° ,乩=45.19° , =31.04°o为了证明模型建立的正确性，将计算所得的数值 与实验值进行对比，如表2所示：表2定子a相电流计算值实验值对比电气呈计

10、算值实验值误差定子电流(a)14571.8414526.730.311%输入功率(kv)272569.79272160.000.151%无功功率(kvar)68685.8449532.43&67%功率因数0.970.981.02%3.2不同负载状态的计算与对比分析为了能够直观了解负载转矩在不同变化值时电机 功率因数，电磁功率，功角等变化情况，保持额定励 磁电流不变，在转轴上分别输入t , 0.97,0.87,0.7t, 0.67,0.57,0.4t , 0.3t , 0.2t进行仿真计算,将得到 各个电气参量编辑并得到如下曲线。图3为负载转矩 与内功率因数角、功率因数角和功角的变化关系

11、，图4 则是负载转矩与功率因数之间变化关系图图4负载转矩与功率因数关系80.0070.0060.0050.00thi(ff 400030.0020.0010.000.00f-剳鼻乞ft*图6功率因数与电磁功率关系员賞斥逅（h2图3负载转矩与内功率因数角、功率因数角、功角关系从图可以看出，随着转轴上负载转矩的减小，功 角逐渐减小，且减小趋势略呈线性趋势。内功率因数 角和功率因数角逐渐增大，随着转轴上负载转矩的减 小，则功率因数逐渐减小。1.201.00 .由图5可知，负载转矩的下降，输入功率随之下 降，在不计绕组铜耗的情况下，其电磁功率也随之下 降，由图6可知，功率因数随着电磁功率减小而减小。8

12、06040ft欽铸担“if-天诂胸春i图7负载转矩与无功功率关系图2上ss0.00电机额定负载运行时为超前功率因数，相当于电 网的阻容性负载。减小电动机轴上的负载，由惯性转 子首先将加速，功角将变小，电磁转矩随之减小。 由电动机运行向量图可知，励磁电流没变，故感应电 动势不变。功角减小，功率因数角增大，则变为更加 超前。300000 00250000.00i图5负载转矩与输入功率关系图§mcy 养由图7知，随着负载转矩的减小，电机的无功功 率随之增大，则从电网输入的容性无功功率增大，或 向电网输送的感性无功功率增大，从而达到调节电网 功率因数、与电网对无功需求跟踪目的。4结论本文利用

13、给出的250mw同步电动机计算抽水工 况在额定负载下定子电流，输入电压，功率因数，无 功功率等电气参数值，经过对比计算值与实验值基本 达到吻合一致。然后保持额定励磁电流不变、通过改 变负载转矩计算不同负载状态下电机的运行参数。将 得到的各种静态数据进行图示化对比分析，验证分析 的正确性。为电站能够与电网对无功需求进行有效跟 踪提供了重要依据。负载转矩减小，不考虑绕组铜耗及损耗不变的情 况下，电磁功率将减小，有功输入随之减小，无功功 率将增大。若电网需要感性无功，可通过降低负载转 矩的方式调节电网的功率因数。反之电网需要容性无 功则可适当增加负载转矩来调节。参考文献111李官军，杨波，陶以彬，等

14、抽水蓄能机组静止变频器起动控制系统半实物仿真j.电机与控制 应用，2011 , 38(1) : 52-59 .2 赵政.抽水蓄能电站发电电动机的过渡过程c. 抽水蓄能电站工程建设文集2013 , 203-209.3 戈宝军，等.静止变频器起动抽水蓄能电机初始导 通方案j,电工技术学报,201328(11) : 147-154 .4 戈宝军，于涌源，张淑森.具有三段圆弧极靴结 构的大型凸极同步电机气隙磁场的分析与计算 j.大电机技术,1998 , (1) : 21-26 .梁艳萍，周封用时步有限元计算汽轮发电机直轴 瞬态参数j.电机与控制学报j998 ,2(02) : 69-74 . 陶大军，等.发电电动机sfc起动强迫换流过程 磁场特性.电机与控制学报,2014 ,18(01) :26-32 .7 ho seon ryu, et al. a study of synchronous motor drive using static frequency convertercl. 12th international co