CN104361227B - 一种定子铁心背部支持筋感应电压计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了本发明的目的是提供一种考虑了穿过定子铁心背部支持筋本身的磁通和漏出定子铁心背部支持筋之外的磁通及对应的感应电压的计算方法。为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种定子铁心背部支持筋感应电压计算方法。本发明提供了一种定子铁心背部支持筋感应电压计算方法。此计算方法可用于大型发电机定子铁心背部支持筋感应电压计算分析、判定铁心背部结构件是否发生跳火等，对于研究发电机的设计、运行具有重要价值。

Description

一种定子铁心背部支持筋感应电压计算方法

技术领域

本发明涉及一种大型发电机定子铁心背部支持筋感应电压计算方法，适用于发电机与大型电机，属于发电机电磁计算的技术领域。

背景技术

发电机定子铁心背部支持筋感应电压是发电机设计参数的一个重要部分，涉及到定子铁心背部结构件磁场分析，可用来判定铁心背部结构件是否发生跳火、计算定子铁心背部支持筋等结构件的电流和损耗以及铁心短路分析等。

但以往对于发电机穿过定子铁心背部支持筋本身的磁通产生的感应电压、漏出定子铁心背部支持筋之外的磁通产生的感应电压的分析资料不多，没有关于这些感应电压的明确的计算方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种考虑了穿过定子铁心背部支持筋本身的磁通和漏出定子铁心背部支持筋之外的磁通及对应的感应电压的计算方法。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种定子铁心背部支持筋感应电压计算方法，包括以下步骤：

步骤1、在二维恒定磁场计算有限元分析软件中建立发电机二维恒定磁场计算分析模型；

步骤2、根据输入的参数采用有限元计算商业软件求解发电机二维恒定磁场，其特征在于：

步骤3、计算穿过每个定子铁心背部支持筋的磁通，其中，穿过第i个定子铁心背部支持筋的磁通式中，i＝1，2，…，N，N为定子铁心背部支持筋的总数，S_1i为第i个定子铁心背部支持筋的中部截面的面积，B_1i为穿过第i个支持筋的磁密；

步骤4、根据每个定子铁心背部支持筋的中心位置，求出每个定子铁心背部支持筋中心位置与发电机转子中心的连线和水平横轴正方向的夹角，从而求出转子以额定转速从水平横轴正方向转到每个定子铁心背部支持筋中心位置所需要的时间，其中，转子以额定转速从水平横轴正方向转到第i个定子铁心背部支持筋中心位置所需要的时间t_i的计算过程为：先求出第i个定子铁心背部支持筋中心位置与发电机转子中心的连线和水平横轴正方向的夹角α_i，再根据α_i＝2π·f_N·t_i计算得到t_i，式中，f_N为额定频率；

步骤5、将步骤3得到的N个定子铁心背部支持筋的磁通及步骤4得到的转子以额定转速从水平横轴正方向转到每个定子铁心背部支持筋中心位置所需要的时间插值为函数Φ₁，Φ₁＝f₁(t)，f₁(t)为穿过定子铁心背部支持筋本身的磁通随时间t变化的函数；

步骤6、计算得到穿过定子铁心背部支持筋本身的磁通对应的感应电压幅值随时间t变化的函数U₁，

步骤7、计算穿过定子铁心背部支持筋本身的磁通对应的感应电压在一个周期内的有效值U_1rms，式中，

步骤8、计算漏出每个定子铁心背部支持筋之外的磁通，其中，漏出第i个个定子铁心背部支持筋之外的磁通式中S_2i为第i个定子铁心背部支持筋外部的定子铁芯背部空气截面的面积，B_2i为第i个支持筋处铁芯背部空气中的磁密；

步骤9、将步骤8得到的N个定子铁心背部支持筋之外的磁通及步骤4得到的转子以额定转速从水平横轴正方向转到每个定子铁心背部支持筋中心位置所需要的时间插值为函数Φ₂，Φ₂＝f₂(t)，f₂(t)为漏出定子铁心背部支持筋之外的磁通随时间t变化的函数；

步骤10、计算得到漏出定子铁心背部支持筋之外的磁通对应的感应电压幅值随时间t变化的函数U₂，

步骤11、计算漏出定子铁心背部支持筋之外的磁通对应的感应电压在一个周期内的有效值U_2rms，

步骤12、计算得到定子铁心背部支持筋感应电压有效值U_rms，U_rms＝U_1rms+U_2rms。

本发明提供了一种定子铁心背部支持筋感应电压计算方法。此计算方法可用于大型发电机定子铁心背部支持筋感应电压计算分析、判定铁心背部结构件是否发生跳火等，对于研究发电机的设计、运行具有重要价值。

附图说明

图1为本发明提供的一种定子铁心背部支持筋感应电压计算方法流程图；

图2为本发明中提到的穿过单个定子铁心背部支持筋本身的磁通示意图；

图3为本发明中提到的漏出定子铁心背部支持筋之外的磁通示意图；

图4为本发明实例所获得的1000MW火电发电机二维恒定磁场有限元求解结果；

图5为本发明实例所获得的1000MW火电发电机穿过单个定子铁心背部支持筋本身的磁通；

图6为本发明实例所获得的1000MW火电发电机穿过各个定子铁心背部支持筋本身的磁通；

图7为本发明实例所获得的1000MW火电发电机穿过定子铁心背部支持筋本身的磁通随时间变化的曲线；

图8为本发明实例所获得的1000MW火电发电机穿过定子铁心背部支持筋本身的磁通产生的感应电压随时间变化的曲线；

图9为本发明实例所获得的1000MW火电发电机漏出定子铁心背部支持筋之外的磁通(局部)；

图10为本发明实例所获得的1000MW火电发电机漏出定子铁心背部支持筋之外的磁通(整个圆周)；

图11为本发明实例所获得的1000MW火电发电机漏出定子铁心背部支持筋之外的磁通随时间变化的曲线；

图12为本发明实例所获得的1000MW火电发电机漏出定子铁心背部支持筋之外的磁通产生的感应电压随时间变化的曲线。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例并配合附图作详细说明如下。

本发明提供了一种定子铁心背部支持筋感应电压计算方法，其步骤为：

步骤1、在二维恒定磁场计算有限元分析软件中建立发电机二维恒定磁场计算分析模型，模型包括定子铁心，定子穿心螺杆孔和定子铁心轴向通风孔、转子锻件、定子槽楔、转子槽楔、定子导体、转子导体、定子铁心背部支持筋、支持筋及其与定子铁心之间的绝缘垫条，定子铁芯背部的空气圆环。在本实施例中，定子铁心内径1410mm，定子穿心螺杆孔直径45.5mm和定子铁心轴向通风孔直径19mm、转子直径1250mm、定子槽楔高23mm且宽44.5mm、转子槽楔高30mm且宽52mm、定子上下层导体总高199.6mm、转子导体112.7mm、定子铁心背部支持筋处铁心开孔宽66.2mm高22mm、支持筋及其与定子铁心之间的1.6mm厚的绝缘垫条，定子铁芯背部的空气圆环外径4m。

步骤2、根据输入的参数采用有限元计算商业软件求解发电机二维恒定磁场，输入的参数包括：定子槽楔相对导磁率、转子槽楔相对导磁率、定转子导体相对导磁率、定子铁心磁化曲线、转子锻件磁化曲线、气隙相对导磁率、定子铁心背部支持筋相对导磁率。

在本实施例中，定子槽楔相对导磁率1、转子槽楔相对导磁率1、定转子导体相对导磁率1、定子铁心磁化曲线、转子锻件磁化曲线、气隙相对导磁率1、定子铁心背部支持筋相对导磁率100。

采用有限元计算商业软件求解发电机二维恒定磁场，对于1000MW火电发电机结果见图4。

步骤3、计算穿过每个定子铁心背部支持筋的磁通，其中，穿过第i个定子铁心背部支持筋的磁通式中，i＝1，2，…，N，N为定子铁心背部支持筋的总数，S_1i为第i个定子铁心背部支持筋的中部截面的面积，B_1i为穿过第i个支持筋的磁密。

在本实施例中，其结果如下表所示：

对于1000MW火电发电机，穿过第定子铁心背部支持筋的磁通结果见图5、图6。

步骤4、根据每个定子铁心背部支持筋的中心位置，求出每个定子铁心背部支持筋中心位置与发电机转子中心的连线和水平横轴正方向的夹角，从而求出转子以额定转速从水平横轴正方向转到每个定子铁心背部支持筋中心位置所需要的时间，其中，转子以额定转速从水平横轴正方向转到第i个定子铁心背部支持筋中心位置所需要的时间t_i的计算过程为：先求出第i个定子铁心背部支持筋中心位置与发电机转子中心的连线和水平横轴正方向的夹角α_i，再根据α_i＝2π·f_N·t_i计算得到t_i，式中，f_N为额定频率。

在本实施例中，其结果如下表所示。

步骤5、将步骤3得到的N个定子铁心背部支持筋的磁通及步骤4得到的转子以额定转速从水平横轴正方向转到每个定子铁心背部支持筋中心位置所需要的时间插值为函数Φ₁，Φ₁＝f₁(t)，f₁(t)为穿过定子铁心背部支持筋本身的磁通随时间t变化的函数。

在本实施例中，对于1000MW火电发电机，函数结果f₁(t)见图7。

步骤6、计算得到穿过定子铁心背部支持筋本身的磁通对应的感应电压幅值随时间t变化的函数U₁，

在本实施例中，对于1000MW火电发电机结果见图8。

步骤7、计算穿过定子铁心背部支持筋本身的磁通对应的感应电压在一个周期内的有效值U_1rms，式中，

在本实施例中，对于1000MW火电发电机，穿过定子铁心背部支持筋本身的磁通所感应的电压为每米148毫伏。

步骤8、计算漏出每个定子铁心背部支持筋之外的磁通，其中，漏出第i个个定子铁心背部支持筋之外的磁通式中S_2i为第i个定子铁心背部支持筋外部的定子铁芯背部空气截面的面积，B_2i为第i个支持筋处铁芯背部空气中的磁密。

在本实施例中，其结果如下表所示。

在本实施例中，对于1000MW火电发电机结果见图9、图10。

步骤9、将步骤8得到的N个定子铁心背部支持筋之外的磁通及步骤4得到的转子以额定转速从水平横轴正方向转到每个定子铁心背部支持筋中心位置所需要的时间插值为函数Φ₂，Φ₂＝f₂(t)，f₂(t)为漏出定子铁心背部支持筋之外的磁通随时间t变化的函数。

在本实施例中，对于1000MW火电发电机结果见图11。

步骤10、计算得到漏出定子铁心背部支持筋之外的磁通对应的感应电压幅值随时间t变化的函数U₂，

在本实施例中，对于1000MW火电发电机结果见图12。

步骤11、计算漏出定子铁心背部支持筋之外的磁通对应的感应电压在一个周期内的有效值U_2rms，

在本实施例中，对于1000MW火电发电机，漏出定子铁心背部支持筋之外的磁通所感应的电压为每米71毫伏。

步骤12、计算得到定子铁心背部支持筋感应电压有效值U_rms，U_rms＝U_1rms+U_2rms。

在本实施例中，对于1000MW火电发电机，定子铁心背部支持筋感应电压Urms为每米219毫伏。

本发明成果在内陆运输型百万千瓦级发电机和双水内冷180MW发电机等新产品设计开发中得到了应用。

Claims (1)

1.一种定子铁心背部支持筋感应电压计算方法，包括以下步骤：

步骤1、在二维恒定磁场计算有限元分析软件中建立发电机二维恒定磁场计算分析模型；

步骤2、根据输入的参数采用有限元计算商业软件求解发电机二维恒定磁场，其特征在于：

步骤3、计算穿过每个定子铁心背部支持筋的磁通，其中，穿过第i个定子铁心背部支持筋的磁通式中，i＝1，2，…，N，N为定子铁心背部支持筋的总数，S_1i为第i个定子铁心背部支持筋的中部截面的面积，B_1i为穿过第i个支持筋的磁密；

步骤4、根据每个定子铁心背部支持筋的中心位置，求出每个定子铁心背部支持筋中心位置与发电机转子中心的连线和水平横轴正方向的夹角，从而求出转子以额定转速从水平横轴正方向转到每个定子铁心背部支持筋中心位置所需要的时间，其中，转子以额定转速从水平横轴正方向转到第i个定子铁心背部支持筋中心位置所需要的时间t_i的计算过程为：先求出第i个定子铁心背部支持筋中心位置与发电机转子中心的连线和水平横轴正方向的夹角α_i，再根据α_i＝2π·f_N·t_i计算得到t_i，式中，f_N为额定频率；

步骤5、将步骤3得到的N个定子铁心背部支持筋的磁通及步骤4得到的转子以额定转速从水平横轴正方向转到每个定子铁心背部支持筋中心位置所需要的时间插值为函数Φ₁，Φ₁＝f₁(t)，f₁(t)为穿过定子铁心背部支持筋本身的磁通随时间t变化的函数；

步骤6、计算得到穿过定子铁心背部支持筋本身的磁通对应的感应电压幅值随时间t变化的函数U₁， $U_1=\frac{{\mathrm{d\Φ}}_1}{\mathrm{dt}}=\frac{{\mathrm{df}}_1\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=g_1\left(t\right);$

步骤7、计算穿过定子铁心背部支持筋本身的磁通对应的感应电压在一个周期内的有效值U_1rms， $U_{1\mathrm{rms}}=\sqrt{\frac{\underset{0}{\overset{T}{\∫}}{g}_1{\left(t\right)}^2\mathrm{dt}}{T}},$ 式中， $T=\frac{1}{f_N};$

步骤8、计算漏出每个定子铁心背部支持筋之外的磁通，其中，漏出第i个个定子铁心背部支持筋之外的磁通式中S_2i为第i个定子铁心背部支持筋外部的定子铁芯背部空气截面的面积，B_2i为第i个支持筋处铁芯背部空气中的磁密；

步骤9、将步骤8得到的N个定子铁心背部支持筋之外的磁通及步骤4得到的转子以额定转速从水平横轴正方向转到每个定子铁心背部支持筋中心位置所需要的时间插值为函数Φ₂，Φ₂＝f₂(t)，f₂(t)为漏出定子铁心背部支持筋之外的磁通随时间t变化的函数；

步骤10、计算得到漏出定子铁心背部支持筋之外的磁通对应的感应电压幅值随时间t变化的函数U₂， $U_2=\frac{{\mathrm{d\Φ}}_2}{\mathrm{dt}}=\frac{{\mathrm{df}}_2\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=g_2\left(t\right);$

步骤11、计算漏出定子铁心背部支持筋之外的磁通对应的感应电压在一个周期内的有效值U_2rms， $U_{2\mathrm{rms}}=\sqrt{\frac{\underset{0}{\overset{T}{\∫}}{g}_2{\left(t\right)}^2\mathrm{dt}}{T}};$

步骤12、计算得到定子铁心背部支持筋感应电压有效值U_rms，U_rms＝U_1rms+U_2rms。