转子磁路结构对汽轮发电机励磁电流和磁场分布的影响

转子磁路结构对汽轮发电机励磁电流和磁场分布的影响 转子磁路结构对汽轮发电机励磁电流和磁 场分布的影响 第15卷第4期 2011年4月 电机与控制 ELECTRICMACHINESANDCONTROL Vo1.15No.4 Apr.2011 转子磁路结构对汽轮发电机励磁电流和 磁场分布的影响 梁艳萍,陈建清,黄浩 (1.哈尔滨理工大学电气与电子 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院,黑龙江哈尔滨150080; 2.哈尔滨电机厂有限责任公司,黑龙江哈尔滨150040) 摘要:建立l400MW核电半速汽轮发电机二维瞬态场有限元模型,提出用等效负载阻抗法来模 拟发电机的额定运行状态,从而避免了功率因数的迭代.在验证该方法正确性和可行性的前提下, 针对大型核电半速汽轮发电机转子通常采用偏槽结构来改善电机性能的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 思想,采用该方法计 算得到了汽轮发电机不同偏槽结构下的励磁电流,并且定量分析不同偏槽结构下,汽轮发电机额定 运行时高磁密区域关键点的磁密变化情况,结果表明转子偏槽结构会对汽轮发电机励磁电流产生 较大影响,然而合理的偏置角度会改善高磁密区域磁场分布,避免局部过热,所得结论为大型核电 半速汽轮发电机的转子磁路结构设计提供理论依据. 关键词:核电半速汽轮发电机;等效负载阻抗法;偏槽;励磁电流;磁密 中图分类号:TM311文献标志码:A文章编号:1007—449X(2011)04—0013—05 Influenceofrotormagneticcircuitstructureonexcitationcurrentand magneticfielddistributionofturb0generat0r LIANGYan—ping,CHENJian—qing,HUANGHao (1.CollegeofElectrical&ElectronicEngineering,HarbinUniversityofScienceandTechnology,Harbin150080,China; 2.HarbinElectricMachineryCompanyLimited,Harbin150040,China) Abstract:A2.Dtransientfiniteelementmodelof1400MWnuclearhalf-speedturbogeneratorwasestab- lishedinthispaper.Theratedoperationconditionofthegeneratorwassimulatedusingequivalentloadim— pedancemethodwhichcanavoidtheiterationofthepowerfactor.Aimingatthefactthattherotoroflarge— capacitynuclearhalf-speedturbogeneratorwasusuallydesignedwithbiasslottoimprovegeneratorperform— ance,theexcitationcurrentofthenuclearhalf-speedturbine— generatorwithdifferentbiasslotwascalculat— eddependingonthemethod'Scorrectness.Atthesametime,thefluxdensitychangeatcriticalpointsof highfluxdensityregionwasquantitativecalculated.Theresultsshowedthatthebiasslotstructureofrotor willgreatlyinfluencetheexcitationcurrentandreasonablebiasangleswillimprovemagneticfielddistribu— tioninhighfluxdensityregiontoavoidlocaloverheating.Theconclusioncouldprovidetheoreticalbassfor therotormagneticcircuitstructuredesignoflarge— capacitynuclearhalf-speedturbogenerator. Keywords:nuclearhalf-speedturbogenerator;equivalentloadimpedancemethod;biasslot;excitation ]L1ITent 收稿日期:2010—12—08 基金项目:"十一五"国家科技支撑 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 重大项目(2007BAA05B06) 作者简介:梁艳萍(1963一),女,教授,博士生导师,研究方向为交流电机动态分析,电 机电磁理论与电磁场数值计算 陈建清(1984一),男,硕士研究生,研究方向为电机电磁场数值计算; 黄浩(1982一),男,研究方向为汽轮发电机开发,设计工作. 14电机与控制第15卷 0引言 近年来,我国电网规模不断扩大,为满足我罔大 电网的 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 ,核电作为新型清洁能源得到了迅速发 展,核电用汽轮发电机单机容量也在不断增大.. 我国过去设计制造的大型核电汽轮发电机多采用2 极形式(亦称全速汽轮发电机),但1O00MW级以上 的汽轮发电机则多采用4极结构(亦称半速汽轮发 电机)L2-3j.为了改善电机的磁场分布,减少发电 机径向漏磁损耗,降低定子线圈和热点温升,半速汽 轮发电机在转子大齿上一般采用偏槽设计..然 而,转子的偏槽设计改变了电机的磁路结构,直接影 响到电机的电磁性能. 汽轮发电机的电抗参数,励磁电流,磁场分布是 决定的发电机性能的关键因素,对全速汽轮发电机 中,工程设计人员在这些领域进行了大量的研究,积 累了丰富的设计经验,建立了符合工程实际的经验 公式和设计方法. 核电半速汽轮发电机在转子大齿上采用偏槽设 计以后,在传统电机电磁设计中,无法准确考虑转子 偏槽的影响.目前国内采用的"电指"设计公式没 有考虑这一影响,美国西屋公司的电磁设计中,通过 修正系数考虑转子偏槽对磁密,励磁电流的影响,如 极常数c,波形系数c.等.然而,修正系数中 应用大量经验系数,难以考虑结构变化,并且汽轮发 电机转子中的涡流,集肤效应十分复杂,用解析法推 导的设计公式无法对此进行准确计算. 本文以一台1400MW核电半速汽轮发电机为 例,建立了电机二维瞬态场有限元计'算模型,计算时 为了准确模拟电机的负载工况,提出了等效负载阻 抗法,避免了计算过程的多重迭代,提高了计算的收 敛性.并在此基础上,分析计算了转子在不同槽偏 置情况下,汽轮发电机励磁电流和高磁密区域关键 点磁密的变化情况. 1模型与边值问题 汽轮发电机转子结构在无偏置,不对称偏置,对 称偏置结构如图1一图3所示.以瞬态场进行求解 时,以定子外圆S作为求解区域外边界(如图1所 示),求解域内电机二维瞬态场边值问题为 O \[IOA~)+Oy\{lOaAyz)=+z,1(1) Al=o.J 其中:为矢量磁位;J为源电流密度;/x,分磁导 率和电导率,Az =+(VxB). 图1无偏槽结构图 Fig.1Nobiasstructure 图2不对称偏槽结构图 Fig.2Asymmetricbiasstructure 图3对称偏槽结构图 Fig.3Symmetricbiasstructure 2励磁电流分析计算 2.1等效负载阻抗法 对于额定负载励磁电流的计算,传统的计算方 法是通过端电压和功率因数的双重迭代,采用在外 电路中运用等效阻抗法来模拟发电机额定运行工况 的方法来计算额定负载励磁电流,避免了对功率因 数的迭代,采用瞬态磁场进行求解时,亦不需要考虑 电流瞬时值,转子磁极相对于定子A相绕组轴线的 相互位置.以A相为例,发电机额定相电压为, 额定相电流为,.,额定功率因数为cos~b,每相等效 负载阻抗为z则有 . 图5额定负载磁力线分布 5功缸咖unonofm agneticfieldliesatratedJoad 锄 趣 鸯 搭 鞲 衄】 翅 偏置角度/(.) 图7空载励磁电流 Fig—Noloadex citati帅cu砌t 偏置角度/(.) 图8额定负载励磁电流 Fj昏8Ratedload excitat … ioncu"ent 看出电流随槽偏角变化曲线可以 不对称槽偏置瀚 16电机与控制第15卷 载励磁电流都随着槽偏角的增大而增大,在同样偏 置角度下,对称偏置比不对称偏置的励磁电流要大. 不对称偏置时,空载励磁电流从2985A增加到 04A增加到8464A; 3124A,额定负载励磁电流从81 对称偏置时,空载励磁电流从2985A增加到3271A, 额定负载励磁电流从8104A增加到9209A.由以 上分析结果可知,在无偏槽情况下励磁绕组最集中, 励磁效率最高,所需要的励磁电流最小,所以采用槽 偏置设计来改善磁场分布是以牺牲一定的励磁电流 为代价的. 3关键点磁密分析 为了分析转子磁路结构对磁场分布的影响,首 先给出了额定负载工况下电机无偏置和不对称6. 偏置时,一个极下的气隙磁密波形如图9所示,以及 电机无偏槽设置时额定负载运行工况下的磁场分布 如图10所示. 糟 擅 电角度/(.) (a)无偏置 襁 鬣 电角度/(.) (b)不对称6.偏置 图9额定负载一个极下气隙磁密分布 Fig.9Air-gapfluxdensitydistributionof onepoleatratedload 从图9可以看出,不对称6.偏置能够有效地抑 制负载后由于磁场畸变而产生的尖角,使气隙合成 磁场波形更接近正弦波,有效地改善了气隙磁场 分布. B/T 高域 一拉0.04s 图10无偏槽额定负载磁场分布 Fig.10Nobiasratedloadmagneticfielddistribution 由图l0可以看出,在额定负载运行工况下,由 于交轴电枢反应的作用,使电机内的合成磁场向逆 着电机旋转方向偏移,使得电机转子每极槽中顺着 电机旋转方向侧的大齿极尖和小槽及相邻槽处磁密 增加,会导致出现局部过热;且与该区域对应的定子 齿根磁密显着增强,由于合成磁场是旋转磁场,所以 定子齿根处磁密是周期性变化的,但是汽轮发电机 转速较高,所以定子所有齿根处也容易导致局部过 热.为了解决此问题,大型核电半速汽轮发电机转 子经常采用偏槽设置,下面主要研究不对称偏置对 上述高磁密区域磁密的影响. 对图10中的高磁密区域进行局部放大,如图 11所示,. 图ll高磁密区域放大图 Fig.11Enlargementofhighfluxdensityregion 取如图11所示的6个高磁密区域关键点,分析 计算从0.单侧偏置到12.(步长为2.)关键点磁密 的变化情况.从2.偏置到12.,在t=0.04s时高磁 密区域磁场的变化场图如图l2所示. ???(a)偏置2.(I)偏置4.(C)偏置6. 圈??(d)偏置8.(e)偏嚣10.(f)偏置12. 图l2不同槽偏置角度高磁密区域磁场分布 Fig.12Magneticfielddistributionofhighfluxdensity regionatdifferentbiasangles 从12可以看出,偏槽设置可以改善高磁密磁 着电机旋转方向,转子第一个槽 场分布,尤其是x~Jl~ 和第二个槽之间的小齿部分改善效果最为明显. O75319752O86 322221l1110O 第4期陈伟等:转子磁路结构对汽轮发电机励磁电流和磁场分布的影响17 通过对不同槽偏置角度下各个关键点磁密的分 析计算,得出0.偏置到12.,6个关键点的磁密变化 如同13所示. 稍 挺 偏鼹角度/(.) 图l3关键点磁密 Fig.13Fluxdensityofcriticalpoints 从图13可以看出,在6个关键点中,在偏置角 度为0.时,关键点4的磁密最高,达到2.98T,不过 其值随着槽偏置角度的增加而逐渐减小,槽偏置到 l2.时,其值为2.74T;关键点1和关键点3的磁密 随着槽偏置角度的改变变化较小;关键点2,关键点 5和关键点6的磁密随着槽偏置角度的增加,其值 逐渐减小,从0.偏置到12.,关键点2从2.76T减小到2.60T,关键点5从2.65T减小到2.47T,关键点 6从2.77T减小到2.55T.为了同时考虑局部过热 和励磁电流,可以选择一个合理的偏置角度,从图8 和图13可以看出,槽偏置角度在4.,6.比较合理. 4结语 以一台1400MW核电半速汽轮发电机为例,建 立了电机的二维模型,采用等效负载阻抗法分析计 算了转子在不同槽偏置情况下,核电半速汽轮发电 机励磁电流和磁场分布的变化规律,得出以下结论: (1)空载,额定负载励磁电流都随着槽偏置角 度的增大而增大,在相同的偏置角度下,对称槽偏置 的励磁电流比不对称槽偏置的励磁电流大,所以以 偏槽设置来改善电机的性能是以牺牲一定的励磁电 流为代价的. (2)转子偏槽设置可以改善核电汽轮发电机高 磁密区域的磁场分布,为了避免局部过热而又不使 励磁电流过大,可采用适当角度的偏槽设置,本文给 出了电机合理的偏置角度. 参考文献: [1]冷杉.泰山300MW核电站全范围仿真系统[J].中国电机1一 [2] [3] [4j [5] [6] [7] [8] [9] [10] 程,1997,17(1):1—10. LENGShan.Thewholesimulationsystemofqinshan300MWnuclear powe~'plant[J].ProceedingsoftheCSEE,1997,17(1):1—10. 汪耕.我国核电站1000MW级发电机容量和转速选择的分析 [J].上海电机厂科技情报,1999,1】(4):1一10. 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