CN106353677B - 一种电力系统动态模拟试验系统同步电机的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力系统动态模拟试验系统同步电机的设计方法，该方法在合理选择电机的基本参数、基本结构、安装方式、工作方式、防护等级、冷却方式等的基础上，通过对电机定转子几何结构、绕组等的设计调整，对电机励磁系统进行设计以及在机组转子轴上添加惯量盘等方式，实现了模拟电机的主要电磁参数标幺值、时间常数与原型电机分别相等，模拟电机的非线性特性与原型电机相似。该方法在满足电力系统动态模拟系统微型化、试验安全方便的同时，使得模拟电机可以精确模拟大型汽轮发电机组的机电与电磁过程，实现对原型电机稳态与暂态特性的精确模拟。

Description

一种电力系统动态模拟试验系统同步电机的设计方法

技术领域

本发明涉及电力系统动态模拟系统领域，尤其是一种电力系统动态模拟试验系统同步电机的设计方法。

背景技术

电力系统动态模拟系统是依据相似定理，按照原型电力系统的物理性质建立起来的缩小比例模拟试验系统，是电力系统设计与运行特性分析、二次设备试验测试、继电保护技术研究的重要实验工具。大型汽轮发电机是电力系统中主要的电气设备之一，对电力系统的运行有着重要的影响，在电力系统动态模拟系统中，采用小型电励磁同步电机作为模拟电机来模拟作为原型电机的大型汽轮发电机的机电与电磁特性，尤其是原型电机的暂态特性。模型电机设计的合理性，反映在其对原型电机的模拟的准确性上，决定了电力系统动态模拟系统的可靠性及其实验结果的合理性，对于电力系统动态模拟系统的建设与电力系统动态模拟实验的开展都具有重要意义。

传统的电励磁同步电机的设计理论相对完善，对模拟电机的设计提供了一定的参考与借鉴作用。但传统的电励磁同步电机的设计方法，主要设计目标是保证电机在额定运行点附近达到需求的运行特性，并在此目标的基础上形成电机的设计程序。该设计程序一般是在确定了电机基本参数的基础上，根据设计理论和经验系数，通过成熟的设计计算公式，对经验结构进行调整或重新设计，得到电机的设计方案，实现其主要设计目标。随着计算机技术与数值分析技术的发展，数值计算方法，例如有限元方法等也在电机设计中得到了应用，主要用于对电机设计方案进行校核。

但现有的电励磁同步电机设计方法并不适合于电力系统动态模拟系统中模拟电机的设计。模拟电机的设计不能通过单纯的将原型电机按比例缩小实现，而是需要根据相似判据，使得模拟电机的主要电磁参数标幺值、时间常数与原型电机分别相等，模拟电机的非线性特性与原型电机相似。设计目标的不同使得传统的设计方法难以满足模拟电机的设计要求。因此，研究并提出适合模拟电机的设计方法就显得尤为必要。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种电力系统动态模拟试验系统同步电机的设计方法，该方法在满足电力系统动态模拟系统微型化、试验安全方便的同时，使得模拟电机可以精确模拟大型汽轮发电机组的机电与电磁过程，实现对原型电机稳态与暂态特性的精确模拟。

本发明的目的可以通过如下技术方案实现：

一种电力系统动态模拟试验系统同步电机的设计方法，所述方法包括以下步骤：

1)确定电机基本参数，包括电机的视在功率、功率因数、额定电压、额定电流、及额定转速等；

2)根据电励磁同步电机磁路计算公式，通过转子机械惯性时间常数与电枢反应电抗目标值计算确定转子主要尺寸、气隙长度、磁负荷与线负荷，通过定子绕组电阻与定子槽漏电抗目标值选择并计算定子槽型、定子槽尺寸以及定子绕组主要参数；

3)根据电励磁同步电机磁路计算公式，通过阻尼绕组漏抗与励磁绕组漏抗目标值，选择并计算转子励磁绕组与阻尼绕组的槽型和尺寸，计算励磁绕组与阻尼绕组主要参数，励磁绕组的主要参数包括：励磁绕组电阻、漏电抗、端部漏电抗，阻尼绕组的主要参数包括：阻尼绕组直轴与交轴电阻、直轴与交轴漏电抗、端部电阻、端部漏电抗；

4)在步骤2)与步骤3)的基础上，完成电机初步电磁设计，包括硅钢片材料的选择、定子绕组与励磁绕组线规的选择与端部结构设计、阻尼笼尺寸与端部结构的设计等，使定子绕组与阻尼绕组主要电阻参数标幺值与原型机基本相同，转子绕组标幺值与原型机基本相同；

5)根据步骤4)完成的电机初步电磁设计，建立参数化电机有限元仿真模型，校核初步设计的结果，采用冻结磁导率有限元计算方法，根据同步电机双轴等效电路模型逐个验证电抗参数并依次修正电机的细节结构尺寸；

6)根据步骤5)修正后的电机模型，通过有限元数值计算方法计算电机稳态与瞬态参数，校核电机设计结果与预期目标是否一致。

优选地，所述电力系统动态模拟系统电励磁同步电机包括隐极同步电机与凸极同步电机。

优选地，步骤1)中，确定电机基本参数时需要考虑与电力系统动态模拟系统的匹配，包括：额定电压的优化选择应提高试验安全性，并综合考虑电力系统动态模拟系统各段电压等级的选择，从而减少冗余设备；额定容量的优化选择在额定电压选择的基础上，考虑电力系统动态模拟系统的容量需求以及继电保护动态模拟实验研究对运行电流的要求；额定转速的选取需考虑原电动机与发电机的配合；模拟电机额定参数选择应同时顾及电机在容许发热范围内改变容量运行的可能性。

优选地，步骤2)与步骤3)中所述电励磁同步电机磁路计算公式是采用等效磁路法的思想，将空间磁场等效为多段磁路，将绕组等效为磁势源、磁路结构等效为磁导并进行计算的方法。

优选地，步骤2)需考虑机组惯性时间常数的调节方式，模拟电机转子惯性时间常数取值应小于原型电机并预留足够的裕度给原电动机，为缩小电机体积，转子长径比可适度取大，但必须考虑定转子槽满率与电阻的要求，避免导致铁芯高度饱和，定子槽设计原则为首先根据齿磁密与定子电阻要求确定槽宽与槽高，再根据漏抗和工艺要求确定槽口尺寸。

优选地，步骤3)应首先考虑阻尼绕组槽与励磁绕组槽在转子空间平面的配合，避免转子齿和轭的磁密饱和，再确定槽宽与槽高，通过槽口尺寸调节漏抗，瞬态过程中阻尼绕组感应电流趋肤效应程度与阻尼绕组槽型与尺寸选择相关，趋肤效应使得阻尼绕组电流分布不均，槽顶电密提高，影响阻尼绕组直、交轴槽漏抗参数，阻尼绕组槽结构设计时需考虑趋肤效应对阻尼绕组漏抗的影响，调整槽顶与槽口结构。

优选地，步骤4)应重点考虑阻尼绕组端部与励磁绕组端部的配合设计，将阻尼绕组端部同时兼做转子端板，端板预留励磁绕组线圈槽，励磁绕组端部在端板外侧，阻尼绕组铜条与端板焊接固定。

优选地，步骤5)中所述的冻结磁导率有限元计算方法包括以下步骤：

第一步，建立电机瞬态有限元分析模型与定子绕组空载稳态三相短路电路模型；

第二步，通过电磁场-电路耦合计算，得到电机定子绕组三相短路瞬态过程中各时间点的定转子硅钢片磁导率仿真信息；

第三步，建立电机静态有限元分析模型，通过将第二步冻结的定转子硅钢片磁导率导入，采用静态场有限元数值仿真方法，得到瞬态过程中定子绕组漏电抗、d轴电枢反应电抗、q轴电枢反应电抗、励磁绕组漏电抗、d轴阻尼绕组漏电抗、q轴阻尼绕组漏电抗的标幺值。

优选地，步骤5)中所述的冻结磁导率有限元计算方法，通过建立参数化电机有限元分析模型，编制计算机程序反复调整电机结构参数并采用冻结磁导率有限元计算方法计算电机电抗，最终找到所需的电机结构设计参数。

优选地，步骤6)中所述的通过有限元数值计算方法计算电机稳态与瞬态参数采用的是电磁场-电路耦合数值计算方法，具体包括冻结磁导率法与模拟实验法。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本发明采用了将磁路计算与有限元计算结合的同步电机设计技术方案，该方案具体提出针对动模电机的磁路设计计算方法，并通过该磁路设计计算方法完成电机的初步设计，提出针对动模电机的电机稳态、瞬态参数有限元校核分析方法，并通过有限元分析完成动模电机设计方案的校核与修正，从而达到了形成适应于动模电机的同步电机设计方法、形成适应于动模电机的同步电机参数有限元计算方法、提高动模电机对原型电机参数模拟的精确性的效果，对于指导电力系统动态模拟系统中模拟电机的设计开发，对于动模系统的建设与电力系统动模实验研究的开展具有重要意义。

附图说明

图1为本发明实施例1的电力系统动态模拟试验系统同步电机定子冲片设计示意图。

图2为本发明实施例1的电力系统动态模拟试验系统同步电机转子冲片设计示意图。

图3是本发明电力系统动态模拟试验系统同步电机的设计方法的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1、图2所示的电力系统动态模拟试验系统同步电机定子冲片与转子冲片，采用如图3所示的电力系统动态模拟试验系统同步电机的设计方法，所采用的计算方法包括电励磁同步电机等效磁路计算方法、瞬态电磁场-电路耦合有限元数值计算方法、静态电磁场有限元数值计算方法，该设计方法包括下述步骤：

1)确定电机基本参数，包括电机的视在功率、功率因数、额定电压、额定电流、及额定转速；

2)根据电励磁同步电机磁路计算公式，通过转子机械惯性时间常数与电枢反应电抗目标值计算确定转子主要尺寸、气隙长度、磁负荷与线负荷，通过定子绕组电阻与定子槽漏电抗目标值选择并计算定子槽型、定子槽尺寸以及定子绕组主要参数；

3)根据电励磁同步电机磁路计算公式，通过阻尼绕组漏抗与励磁绕组漏抗目标值，选择并计算转子励磁绕组与阻尼绕组的槽型和尺寸，计算励磁绕组与阻尼绕组主要参数，励磁绕组的主要参数包括：励磁绕组电阻、漏电抗、端部漏电抗，阻尼绕组的主要参数包括：阻尼绕组直轴与交轴电阻、直轴与交轴漏电抗、端部电阻、端部漏电抗；

4)在步骤2)与步骤3)的基础上，完成电机初步电磁设计，包括硅钢片材料的选择、定子绕组与励磁绕组线规的选择与端部结构设计、阻尼笼尺寸与端部结构的设计等，使定子绕组与阻尼绕组主要电阻参数标幺值与原型机基本相同，转子绕组标幺值与原型机基本相同；

5)根据步骤4)完成的电机初步电磁设计，建立参数化电机有限元仿真模型，校核初步设计的结果，采用冻结磁导率有限元计算方法，根据同步电机双轴等效电路模型逐个验证电抗参数并依次修正电机的细节结构尺寸；

6)根据步骤5)修正后的电机模型，通过有限元数值计算方法计算电机稳态与瞬态参数，校核电机设计结果与预期目标是否一致。

下面对模拟某型号汽轮发电机组的电磁与机械特性进行进一步的说明，根据动模系统设计方案，确定电机视在功率6kVA、额定功率因数0.9、额定转速1500rpm、额定电压100V，根据原型机组机械惯性时间常数与动模机组原动机转动惯量，计算出电机机械惯性时间常数，根据合理长径比确定电机转子外径与铁芯有效长度，根据原型电机电枢反应电抗标幺值计算电机气隙长度。

根据定子绕组电阻与定子漏抗标幺值设计定子槽型与定子绕组，并通过等效磁路解析计算方法计算调整，同时根据合理的定子轭饱和程度确定定子轭宽与定子外径，根据励磁绕组漏抗标幺值设计励磁绕组与转子励磁绕组槽型，并通过等效磁路法进行计算调整，根据阻尼绕组漏电抗与阻尼绕组电阻标幺值设计阻尼绕组槽型，并通过等效磁路法进行计算调整，完成电机其他部分的电磁初步设计。

建立电机参数化有限元计算模型，采用冻结磁导率法计算电机定子绕组漏抗、励磁绕组漏抗、阻尼绕组漏抗、直轴同步电抗、交轴同步电抗、直轴瞬态电抗、直轴超瞬态电抗，采用模拟试验法计算电机空载特性、负载特性、短路特性等。

根据本实施例设计的电机的部分主要设计参数见表1所示，根据本实施例设计的电机的部分稳态、瞬态参数与原型电机的参数对比见表2所示，其中同步电抗为额定负载运行值。

表1实施例1的电机主要设计参数

名称	数据	单位	名称	数据	单位
						定子外径	435	mm	转子内径	50	mm
定子槽数	36	槽	铁芯长度	177.5	Mm
						转子实槽数	16	槽	转子虚槽数	20	槽
阻尼绕组槽数	20	槽	定子绕组型式	双层叠绕组
						励磁绕组型式	同心式绕组		阻尼绕组型式	鼠笼全阻尼

表2实施例1的电机参数与原型机对比

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种电力系统动态模拟试验系统同步电机的设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)确定电机基本参数，包括电机的视在功率、功率因数、额定电压、额定电流及额定转速；

2)根据电励磁同步电机磁路计算公式，通过转子机械惯性时间常数与电枢反应电抗目标值计算确定转子主要尺寸、气隙长度、磁负荷与线负荷，通过定子绕组电阻与定子槽漏电抗目标值选择并计算定子槽型、定子槽尺寸以及定子绕组主要参数；

3)根据电励磁同步电机磁路计算公式，通过阻尼绕组漏抗与励磁绕组漏抗目标值，选择并计算转子励磁绕组与阻尼绕组的槽型和尺寸，计算励磁绕组与阻尼绕组主要参数，励磁绕组的主要参数包括：励磁绕组电阻、漏电抗、端部漏电抗，阻尼绕组的主要参数包括：阻尼绕组直轴与交轴电阻、直轴与交轴漏电抗、端部电阻、端部漏电抗；

4)在步骤2)与步骤3)的基础上，完成电机初步电磁设计，包括硅钢片材料的选择、定子绕组与励磁绕组线规的选择与端部结构设计、阻尼笼尺寸与端部结构的设计，使定子绕组与阻尼绕组主要电阻参数标幺值与原型机基本相同，转子绕组标幺值与原型机基本相同；

5)根据步骤4)完成的电机初步电磁设计，建立参数化电机有限元仿真模型，校核初步设计的结果，采用冻结磁导率有限元计算方法，根据同步电机双轴等效电路模型逐个验证电抗参数并依次修正电机的细节结构尺寸；

6)根据步骤5)修正后的电机模型，通过有限元数值计算方法计算电机稳态与瞬态参数，校核电机设计结果与预期目标是否一致。

2.根据权利要求1所述的一种电力系统动态模拟试验系统同步电机的设计方法，其特征在于：所述电力系统动态模拟系统电励磁同步电机包括隐极同步电机与凸极同步电机。

3.根据权利要求1所述的一种电力系统动态模拟试验系统同步电机的设计方法，其特征在于：步骤1)中，确定电机基本参数时需要考虑与电力系统动态模拟系统的匹配，包括：额定电压的优化选择应提高试验安全性，并综合考虑电力系统动态模拟系统各段电压等级的选择，从而减少冗余设备；额定容量的优化选择在额定电压选择的基础上，考虑电力系统动态模拟系统的容量需求以及继电保护动态模拟实验研究对运行电流的要求；额定转速的选取需考虑原电动机与发电机的配合；模拟电机额定参数选择应同时顾及电机在容许发热范围内改变容量运行的可能性。

4.根据权利要求1所述的一种电力系统动态模拟试验系统同步电机的设计方法，其特征在于：步骤2)与步骤3)中所述电励磁同步电机磁路计算公式是采用等效磁路法的方法，将空间磁场等效为多段磁路，将绕组等效为磁势源，磁路结构等效为磁导并进行计算。

5.根据权利要求1所述的一种电力系统动态模拟试验系统同步电机的设计方法，其特征在于：步骤2)中，模拟电机转子惯性时间常数取值应小于原型电机并预留足够的裕度给原电动机，为缩小电机体积，转子长径比适度取大，但必须满足定转子槽满率与电阻的要求，避免导致铁芯高度饱和，定子槽设计原则为：首先根据齿磁密与定子电阻要求确定槽宽与槽高，再根据漏抗和工艺要求确定槽口尺寸。

6.根据权利要求1所述的一种电力系统动态模拟试验系统同步电机的设计方法，其特征在于：步骤3)应首先考虑阻尼绕组槽与励磁绕组槽在转子空间平面的配合，避免转子齿和轭的磁密饱和，再确定槽宽与槽高，通过槽口尺寸调节漏抗，瞬态过程中阻尼绕组感应电流趋肤效应程度与阻尼绕组槽型与尺寸选择相关，趋肤效应使得阻尼绕组电流分布不均，槽顶电密提高，影响阻尼绕组直、交轴槽漏抗参数，阻尼绕组槽结构设计时需考虑趋肤效应对阻尼绕组漏抗的影响，调整槽顶与槽口结构。

7.根据权利要求1所述的一种电力系统动态模拟试验系统同步电机的设计方法，其特征在于：步骤4)在完成电机初步设计时，将阻尼绕组端部同时兼做转子端板，端板预留励磁绕组线圈槽，励磁绕组端部在端板外侧，阻尼绕组铜条与端板焊接固定。

8.根据权利要求1所述的一种电力系统动态模拟试验系统同步电机的设计方法，其特征在于：步骤5)中所述的冻结磁导率有限元计算方法包括以下步骤：

第一步，建立电机瞬态有限元分析模型与定子绕组空载稳态三相短路电路模型；

第二步，通过电磁场-电路耦合计算，得到电机定子绕组三相短路瞬态过程中各时间点的定转子硅钢片磁导率仿真信息；

第三步，建立电机静态有限元分析模型，通过将第二步冻结的定转子硅钢片磁导率导入，采用静态场有限元数值仿真方法，得到瞬态过程中定子绕组漏电抗、d轴电枢反应电抗、q轴电枢反应电抗、励磁绕组漏电抗、d轴阻尼绕组漏电抗及q轴阻尼绕组漏电抗的标幺值。

9.根据权利要求1所述的一种电力系统动态模拟试验系统同步电机的设计方法，其特征在于：步骤5)中所述的冻结磁导率有限元计算方法，通过建立参数化电机有限元分析模型，编制计算机程序反复调整电机结构参数并采用冻结磁导率有限元计算方法计算电机电抗，最终找到所需的电机结构设计参数。

10.根据权利要求1所述的一种电力系统动态模拟试验系统同步电机的设计方法，其特征在于：步骤6)中所述的通过有限元数值计算方法计算电机稳态与瞬态参数采用的是电磁场-电路耦合数值计算方法，具体包括冻结磁导率法与模拟实验法。