CN110162892B - 一种大型同步调相机定子端部漏感计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大型同步调相机定子端部漏感计算方法，属于同步电机参数计算领域。该方法包括：S1：同步电机电磁有限元建模：分别建立2D有效段有限元模型和3D端部有限元模型；S2：求解饱和状态下的同步电机磁密及磁导率分布；S3：锁定对应饱和状态的磁导率，线性求解磁场储能；S4：基于磁场储能计算2D/3D模型电感，并对3D端部模型电感扣除有效段含量，从而分离出端部漏感。本发明能够考虑实际运行中磁路饱和对端部磁场分布的影响，得到更加准确的大型同步调相机定子端部漏感参数，从而为更好地预判电机运行性能、分析电机动态行为提供。

Description

一种大型同步调相机定子端部漏感计算方法

技术领域

本发明属于同步电机参数计算领域，涉及一种大型同步调相机定子端部漏感的计算方法。

背景技术

相对于SVC/SVG等无功补偿装置，大容量调相机具备更高的可靠性和更强暂态能力，能有效改善直流换相失败、抑制系统暂态过电压，因此在直流输电系统中得到重要应用。调相机的暂态无功能力和对系统电压稳定的支持能力直接取决于其暂态参数，而定子绕组的端部漏感是超瞬变电感的重要组成部分。能否准确地计算端部漏感，是准确评估调相机暂态无功能力和预测系统电压安全的关键。然而，大型同步调相机定子绕组端部结构及电磁关系十分复杂，绕组型式及布置、端部结构件、定转子边段铁心等都会对定子绕组端部漏磁产生影响，准确计算电机端部漏感较为困难。目前在电机设计中，一般采用传统经验公式计算端部漏电感，近年来更多地采用三维数值分析方法，然而这些方法大都未计及端部磁路饱和的影响，认为端部漏感是一个定值，实际上端部结构的磁饱和会影响端部漏电感的大小，忽略饱和影响必然会造成端部漏感计算的不准确。因此，为了获取准确的调相机定子端部漏感参数，以评估调相机暂态无功能力、预测系统电压安全性能，亟需发明一种考虑饱和效应影响的大型调相机定子端部漏感计算方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种大型同步调相机定子端部漏感的计算方法，通过考虑实际运行中磁路饱和对端部磁场分布的影响，获取更加准确的同步调相机定子端部漏感参数，为更好地分析调相机动态行为、评估调相机暂态无功能力、预测系统电压安全性能提供支撑。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种大型同步调相机定子端部漏感计算方法，具体包括以下步骤：

S1：同步电机电磁有限元建模：分别建立2D有效段有限元模型和3D端部有限元模型；

S2：分别基于步骤S1建立的有限元模型，进行所需工况的非线性时域电磁场仿真，此时模型中应设置合理的定、转子电流及其相位关系；求解饱和状态下的同步电机磁密及磁导率分布，并将其锁定导出；

S3：将导出的磁导率分布再导入至新的求解模型，仅在定子侧加载三相对称电流，进行冻结磁导率状态下的线性电磁场仿真，线性求解定子磁链或电机储能；

S4：基于磁链或储能法分别求解2D有效段有限元模型和3D端部有限元模型的电感，并将3D端部有限元模型的电感扣除包含2D有效段有限元模型的部分，从而分离出定子端部饱和漏感。

进一步，所述步骤S1中，2D有效段有限元模型包括有2D求解域，3D端部有限元模型包括有3D求解域；

2D求解域对应定子有效段长度l_active＝l_total－2l_end，其中l_total为电机定子铁心总长，l_end为两侧定子端部铁心轴向长度；

3D求解域包括能够考虑端部效应的足够长的边段铁心、压指、压板等结构件，以及能反映其空间分布的定子端部绕组。

进一步，所述步骤S3中具体包括：

S31：将导出的磁导率分布再导入至新的求解模型，激励加载方式为：

I_a＝I_m cos(ωt+θ)

I_f＝0

其中，I_a、I_b、I_c是定子三相电流，I_m为电流峰值，ω为电角频率，θ为定子A相初始相位角，I_f为励磁电流；

S32：进行冻结磁导率状态下的线性电磁场仿真，求解定子某相最大磁链或磁场储能；

磁链计算方法：

磁场储能计算方法：

其中，J是一匝内的电流密度，A是矢量位，v是区域的体积，n是匝数，B是磁通密度，H是磁场强度。

进一步，所述步骤S4中具体包括：分离出端部漏感的方法：

L_{σ_end}＝L_total-L_activel_end/l_active

其中，L_{σ_end}是单边端部漏感，L_total是单边端部总电感，L_active是2D有效段有限元模型计算出的铁心有效段对应的电感，l_end是3D端部有限元模型的铁心长度。

本发明的有益效果在于：本发明能够准确考虑实际运行中磁路饱和对端部磁场分布的影响，获取更加准确的同步调相机定子端部漏感参数，为更好地分析调相机动态行为、评估调相机暂态无功能力、预测系统电压安全性能提供支撑。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明所述方法的流程图；

图2为本发明的同步电机定子端部有限元模型的2D/3D求解域；

图3为2D有效段有限元模型图；

图4为3D端部有限元模型图；

图5为2D模型额定工况饱和磁导率分布图；

图6为3D模型额定工况饱和磁导率分布图；

图7为本发明所述方法计算出的端部漏感标幺值结果。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1所示，本发明所述的一种大型同步调相机定子端部漏感计算方法，具体包括以下步骤：

S1：同步电机电磁有限元建模：分别建立2D有效段有限元模型和3D端部有限元模型；

S2：分别基于步骤S1建立的有限元模型，进行所需工况的非线性时域电磁场仿真，此时模型中应设置合理的定、转子电流及其相位关系；求解饱和状态下的同步电机磁密及磁导率分布，并将其锁定导出；

S3：将导出的磁导率分布再导入至新的求解模型，仅在定子侧加载三相对称电流，进行冻结磁导率状态下的线性电磁场仿真，线性求解定子磁链或电机储能；

S4：基于磁链或储能法分别求解2D有效段有限元模型和3D端部有限元模型的电感，并将3D端部有限元模型的电感扣除包含2D有效段有限元模型的部分，从而分离出定子端部饱和漏感。

图2为本发明的同步电机定子端部有限模型的2D/3D求解域，具体为：

电机定子铁心总长为l_total，所求解的端部铁心轴向长度为l_end，则2D模型的有效段长度应为：

l_active＝l_total－2l_end

3D有限元求解域包括能够考虑端部效应的足够长的边段铁心及压指、压板等结构件，以及能反映其空间分布的定子端部绕组。

图3为2D有效段有限元模型图。图4为3D端部有限元模型图。图5为2D额定工况饱和磁导率分布图。图6为3D额定工况模型饱和磁导率分布图，左侧为定子铁心，右侧为转子铁心。

图7为本发明的改进方法计算出的端部漏感标幺值结果。图7中对比了传统方法计算出的不饱和值和本发明方法计算出的三个对比工况的饱和值。可以看出，本发明结果能够反映不同工况饱和程度对端部漏感的影响，且d轴和q轴饱和程度有所不同。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种大型同步调相机定子端部漏感计算方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

S1：同步电机电磁有限元建模：分别建立2D有效段有限元模型和3D端部有限元模型；

S2：分别基于步骤S1建立的有限元模型，进行所需工况的非线性时域电磁场仿真，设置合理的定、转子电流及其相位关系；求解饱和状态下的同步电机磁密及磁导率分布，并将其锁定导出；

S3：将导出的磁导率分布再导入至新的求解模型，仅在定子侧加载三相对称电流，进行冻结磁导率状态下的线性电磁场仿真，线性求解定子磁链或电机储能；

S4：基于磁链或储能法分别求解2D有效段有限元模型和3D端部有限元模型的电感，并将3D端部有限元模型的电感扣除包含2D有效段有限元模型的部分，从而分离出定子端部饱和漏感；

所述步骤S1中，2D有效段有限元模型包括有2D求解域，3D端部有限元模型包括有3D求解域；

2D求解域对应定子有效段长度l_active＝l_total－2l_end，其中l_total为电机定子铁心总长，l_end为两侧定子端部铁心轴向长度；

3D求解域包括能够考虑端部效应的足够长的边段铁心、压指、压板，以及能反映其空间分布的定子端部绕组；

所述步骤S3中具体包括：

S31：将导出的磁导率分布再导入至新的求解模型，激励加载方式为：

I_a＝I_m cos(ωt+θ)

I_f＝0

其中，I_a、I_b、I_c是定子三相电流，I_m为电流峰值，ω为电角频率，θ为定子A相初始相位角，I_f为励磁电流；

S32：进行冻结磁导率状态下的线性电磁场仿真，求解定子某相最大磁链或磁场储能；

磁链计算方法：

磁场储能计算方法：

其中，J是一匝内的电流密度，A是矢量磁位，v是区域的体积，n是匝数，B是磁通密度，H是磁场强度；

所述步骤S4中具体包括：分离出端部漏感的方法：

L_{σ_end}＝L_total-L_activel_end/l_active

其中，L_{σ_end}是单边端部漏感，L_total是单边端部总电感，L_active是2D有效段有限元模型计算出的铁心有效段对应的电感，l_end是3D端部有限元模型的铁心长度，l_active为2D求解域对应定子有效段长度。

Images