CN105302999B - 发现汽轮发电机内负序分量对转矩与谐波影响规律的方法 - Google Patents

Abstract

发现汽轮发电机内负序分量对转矩与谐波影响规律的方法，具体涉负序电流分量产生的磁场对转矩与谐波影响的计算。本发明为了解决大型汽轮机发电机转子受内负序量的制约而导致电机热稳定性下降的问题。本发明包括第一步、建立汽轮发电机模型；第二步、分析不同负序分量对转矩的影响；第三步、分析不同负序含量变化对气隙磁密谐波的影响；第四步、分析负序含量变化对磁密分布的影响；本发明对发电机在不同负序电流分量的情况下进行仿真计算，对负序运行工况下的转矩进行了计算与分析，归纳分析了发电机气隙磁密谐波的规律性变化。

Description

发现汽轮发电机内负序分量对转矩与谐波影响规律的方法

技术领域

本发明涉及发现汽轮发电机内负序分量对转矩与谐波影响规律的方法，具体涉负序电流分量产生的磁场对转矩与谐波影响的计算。

背景技术

当大型汽轮发电机容量持续增加时，材料的强度及性能并未得到同步的提升，这样发电机的热稳定性就受到了制约，发电机的各个部件温度升高，对发电机的通风冷却技术和材料的热稳定性有较高的要求；由于汽轮发电机的转速高，转子又是实心结构，发电机气隙内的负序电流分量将会产生与转子转速同步、转动方向相异的旋转磁势，此磁势将会在实心转子表面的大齿、小齿、槽楔以及护环、阻尼绕组内感应出二倍频的涡流，引起转子发热，同时会在励磁绕组中感应出各次谐波，进一步加剧了转子的温升，由于负载的不对称等因素会引起发电机的不对称运行，会引起转子中磁场的畸变，导致转矩脉动。

现有技术对对大型汽轮发电机的影响的研究很多，但主要是从负序电流在转子表面产生的热效应角度进行分析和研究，并没有对汽轮发电机负序运行时的转矩和气隙磁密谐波进行计算与分析。

发明内容

本发明的目的是为了解决大型汽轮机发电机转子受内负序量的制约而导致电机热稳定性下降的问题，进而提供发现汽轮发电机内负序分量对转矩与谐波影响规律的方法。

本发明的技术方案是：为实现上述目的所采用的技术方案在于包括以下步骤：

第一步、建立汽轮发电机模型；

1建立模型的基本假设

利用Ansoft仿真软件建立二维电磁场模型，为了使被求解区域内磁场的微分方程和边界条件得以确定，作出如下假设：

1)利用二维场模拟同步发电机内的磁场计算，同时假设发电机内的磁场为似稳场，忽略位移电流；

2)假设发电机的定子外表面圆周应用狄利克雷边界条件作为边界条件，且设其值为零；

3)假设电机的材料是各向同性的，即铁磁材料的磁滞效应被忽略不计；

4)因温度的改变而导致的电导率变化忽略不计；

2求解域模型的建立

对四级汽轮发电机进行电磁场计算，取该发电机整个截面图为求解区域，对所求区域进行有限元剖分，找到计算结果基本不随网格数变化的情形，得到计算区域剖分图；

根据上述假设条件，建立核用汽轮发电机的二维电磁场的有限元模型；

第二步、分析不同负序分量对转矩的影响；

通过Ansoft Maxwell2D瞬态求解器对汽轮发电机转子转矩进行分析，获得转矩随负序分量的变化规律；

第三步、分析不同负序分量变化对气隙磁密谐波的影响；

改变负序的含量，仿真得出不同负序分量下汽轮发电机的气隙磁密；

第四步、分析负序分量变化对磁密分布的影响；

对发电机含负序分量运行下磁场畸变问题进行分析，得到负序分量变化对磁密分布的影响。

进一步地，第一步中所述的汽轮发电机为1266MW大型半速汽轮发电机。

进一步地，第二步中瞬态求解器在求解过程中所依据的转动方程为：

Jβ+λω＝T_comp+T_load

式中，J是惯性力，单位是：kg·m²；T是转矩，单位是：N·m；ω为角速度，单位是：rad/s；β为角加速度，单位是：rad/s²。

本发明的有益效果为：本发明以1266MW大型半速汽轮发电机作为研究对象，利用有限元软件建立发电机二维电磁场模型，对发电机在不同负序电流分量的情况下进行仿真计算，对负序运行工况下的转矩进行了计算与分析，归纳分析了发电机气隙磁密谐波的规律性变化。

附图说明

图1为发电机求解区示意图；

图2为计算区域的剖分图；

图3额定工况下转矩图；

图4额定工况下转矩频谱图；

图5 1％负序运行转矩图；

图6 1％负序运行转矩频谱图；

图7不同负序分量下的脉动转矩图；

图8额定负载时气隙磁密谐波分解图；

图9额定负载时气隙磁密谐波各谐波幅值；

图10不同负序分量对应的气隙磁密各谐波幅值；

图11转子不同位置选取示意图；

图12发现汽轮发电机内负序分量对转矩与谐波影响规律的方法步骤图；

具体实施方式

具体实施方式一：建立汽轮发电机模型

1建立模型的基本假设

利用Ansoft仿真软件建立二维电磁场模型，为了使被求解区域内磁场的微分方程和边界条件得以确定，作出如下假设：

1)利用二维场模拟同步发电机内的磁场计算，同时假设发电机内的磁场为似稳场，忽略位移电流。

2)假设发电机的定子外表面圆周应用狄利克雷边界条件作为边界条件，且设其值为零。

3)假设电机的材料是各向同性的，即铁磁材料的磁滞效应被忽略不计。

4)因温度的改变而导致的电导率变化忽略不计。

2求解域模型的建立

对四级汽轮发电机进行电磁场计算，取该发电机整个截面图为求解区域，对所求区域进行有限元剖分，找到计算结果基本不随网格数变化的情形，得到计算区域剖分图。

根据上述假设条件，建立1266MW核用汽轮发电机的二维电磁场的有限元模型，确定求解区域和给出边界条件，采用矢量磁位A_z求解，整个场域Ω上，A_z需满足如下边值问题[10]：

式中：

J_z为电流密度；μ为磁导率；σ电导率。

具体实施方式二：分析不同负序分量对转矩的影响；

本文对转矩的分析是基于Ansoft Maxwell2D瞬态求解器实现的，瞬态求解器在求解过程中所依据的转动方程为

Jβ+λω＝T_comp+T_load

式中，J是惯性力，kg·m²；T是转矩，N·m；ω为角速度，rad/s；β为角加速度，rad/s²。

通过对该模型额定运行状态时的仿真，得到了其额定工况下的转矩-时间图像，并对其转矩波形进行频谱分析，图像如图3、图4所示。

从图3、图4中可以看出，额定运行时发电机的转矩是基本稳定的，可以得出其基波幅值为7.257MN·m，并且各次谐波的幅值都很小，可以忽略不计。

以额定运行模型为基础，在电枢绕组中加入1％的负序电流，保持其它参数不变，进行仿真后得到转矩波形，并对转矩进行频谱分析，结果如图5、图6所示。

从图5、图6中波形可以看出，转矩中含有周期分量，并且可以得出恒定分量的幅值为7.258MN·m，相对于额定运行时的结果略微减小。值得关注的是，其中包含有频率为100Hz的周期分量，其幅值约为恒定分量幅值的1.59％。

为了比较负序分量对计算结果的影响，分别采用不同负序分量的模型进行计算，结果对比见表1。

表1负序分量变化对矩阵的影响

综合分析仿真结果获得如下结论：

以额定运行模型为基础加入负序电流分量。随着负序分量的增加，脉动转矩不断增加，如图7所示。

具体实施方式三：分析不同负序分量变化对气隙磁密谐波的影响；

改变负序的含量，仿真得出不同负序分量下汽轮发电机的气隙磁密。由于发电机的对称性，可取发电机的一对极生成气隙磁密曲线，并分解该曲线，可以得到各气隙磁密谐波的幅值。

汽轮发电机在额定运行情况下分解一对极的气隙磁密谐波，如图8、图9所示。

为了探究各气隙磁密谐波随不同负序电流分量的规律性变化，将其生成柱状图如图10所示；由柱状图10可以看出，气隙磁密的基波分量随负序分量的增大而增大，证明定转子的合成磁场逐渐增强；气隙磁密的三、五次谐波幅值逐渐减小；七次谐波幅值随负序分量的增大而变化很小，趋于稳定。

具体实施方式四：分析负序分量变化对磁密分布的影响

发电机在负序分量下内部磁场的变化十分明显，因此针对发电机含负序分量运行下磁场畸变问题进行分析。

在转子内选取A点、B点和C点，如图11所示。

在不同位置情况下比较其磁感应强度大小，各处磁密比较如表2所示。

表2不同负序分量下的各点磁密

从表2中可以得出，随着负序分量逐渐增大，A点、B点、C点各处磁场强度逐渐增大。并且B点磁感应强度最大，主要是由于定子中负序分量在气隙中产生一个与转子速度相同，方向相反的负序旋转磁场，此时负序旋转磁场相对转子的转速为额定转速的两倍，所以将在转子上产生一个两倍基频的脉动磁场。由于两倍基频的脉动磁场作用，导致转子处磁密随负序分量的增大而增大。

结论

本文中1266MW四级汽轮发电机是利用有限元软件建立的二维电磁场有限元模型，加上相应的求解条件，并对其进行仿真计算，得到以下规律：

(1)随着负序分量的增加，脉动转矩随负序电流的增大而明显增加。

(2)气隙磁密的基波分量随着负序分量的增加而增大，三、五次谐波幅值逐渐减小；七次谐波幅值很小，趋于稳定。

(3)随着负序分量的增加，转子处磁密随着负序分量的增大而增大。

Claims (3)

1.发现汽轮发电机内负序分量对转矩与谐波影响规律的方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步、建立汽轮发电机模型；

1建立模型的基本假设

利用Ansoft仿真软件建立二维电磁场模型，为了使被求解区域内磁场的微分方程和边界条件得以确定，作出如下假设：

1)利用二维场模拟同步发电机内的磁场计算，同时假设发电机内的磁场为似稳场，忽略位移电流；

2)假设发电机的定子外表面圆周应用狄利克雷边界条件作为边界条件，且设其值为零；

3)假设电机的材料是各向同性的，即铁磁材料的磁滞效应被忽略不计；

4)因温度的改变而导致的电导率变化忽略不计；

2求解域模型的建立

对四级汽轮发电机进行电磁场计算，取该发电机整个截面图为求解区域，对所求区域进行有限元剖分，找到计算结果基本不随网格数变化的情形，得到计算区域剖分图；

根据上述假设条件，建立核用汽轮发电机的二维电磁场的有限元模型；

第二步、分析不同负序分量对转矩的影响；

通过Ansoft Maxwell2D瞬态求解器对汽轮发电机转子转矩进行分析，获得转矩随负序分量的变化规律；

第三步、分析不同负序分量变化对气隙磁密谐波的影响；

改变负序的含量，仿真得出不同负序分量下汽轮发电机的气隙磁密；

第四步、分析负序分量变化对磁密分布的影响；

对发电机含负序分量运行下磁场畸变问题进行分析，得到负序分量变化对磁密分布的影响。

2.根据权利要求1所述的发现汽轮发电机内负序分量对转矩与谐波影响规律的方法，其特征在于：第一步中所述的汽轮发电机为1266MW大型半速汽轮发电机。

3.根据权利要求1所述的发现汽轮发电机内负序分量对转矩与谐波影响规律的方法，其特征在于：第二步中瞬态求解器在求解过程中所依据的转动方程为：

Jβ+λω＝T_comp+T_load

式中，J是惯性力，单位是：kg·m²；T是转矩，单位是：N·m；ω为角速度，单位是：rad/s；β为角加速度，单位是：rad/s²。