CN110932490A - 双水内冷隐极同步电机转子强励温度的计算方法 - Google Patents

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本发明公开了一种双水内冷隐极同步电机转子强励温度的计算方法。本发明基于能量守恒原理提出了一种用于求解水冷转子绕组强励温度的计算思路和方法。本发明只需要输入13个参数，即可完成计算和绘图，而且能很好地适应双水内冷隐极同步电机转子强励温度计算和曲线绘制的要求，达到便捷、迅速、准确获得水冷转子强励温度的目的。

Description

双水内冷隐极同步电机转子强励温度的计算方法
技术领域
本发明涉及一种基于时序能量图的双水内冷隐极同步电机转子强励温度的计算方法，可用于双水内冷隐极同步电机的转子强励温度的计算研究和产品设计开发中，属于发电机电磁和冷却设计技术领域。
背景技术
对于双水内冷调相机等强励要求比较高的双水内冷隐极同步电机计算其水冷转子绕组的强励温度是产品设计开发中的重要环节。转子强励温度计算的准确程度不但影响着产品设计方案的确定，而且与双水内冷调相机等双水内冷隐极同步电机转子强励工况下的运行安全性息息相关。
以往对于水冷转子绕组的强励温度的考虑，一般是通过列传热微分方程来实现。实际设计过程中，往往希望有更加形象而便捷的方法，不仅计算出水冷转子绕组的最高强励温度，而且图形化地表示出发热能量面积块和传热能量面积块是如何建立能量平衡的，这就需要有新的思路建立图形化的计算方法以更好地适应工程实际需要。
发明内容
本发明的目的是提供一种图形化的、计算便捷的双水内冷隐极同步电机转子强励温度的计算方法。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种双水内冷隐极同步电机转子强励温度的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：输入计算模型的总共13个参数及强励参数，包括转子空心导线入口冷却水温度tw2in、转子空心导线铜截面积Acu2、转子空心导线通水内孔截面积Aw2、转子最长水路空心导线长度Lw2、转子最长水路空心导线水量qw2、强励开始前转子最长水路空心导线最高水温升θw2bg0、励磁电流If、强励倍数Kforc、强励时间tforc、水的比热Cw、水的密度ρw、铜的比热Ccu、铜的密度ρcu；
步骤2：绘制转子空心铜线内铜和水初始温升随导线长度变化曲线，以转子最长水路空心导线长度为横轴，以转子空心铜线内水温升为向上的纵轴，以转子空心铜线内铜温升为向下的纵轴，转子空心铜线内水温升曲线过原点(0,0)和点(Lw2,θw2bg0)，转子空心铜线内铜温升曲线也过原点(0,0)和点(Lw2,θw2bg0)，转子空心铜线内水温升曲线与转子空心铜线内铜温升曲线关于横轴对称；
步骤3：计算转子最长水路空心铜线内铜的吸热系数Kcu2：
Figure BDA0002283887510000021
步骤4：计算转子最长水路空心铜线内水的吸热系数Kw2：
Figure BDA0002283887510000022
步骤5：计算转子最长水路空心铜线外水的吸热系数：
Figure BDA0002283887510000023
步骤6：选定任意正整数N作为计算步数，则第i个计算时间步长为Δti＝tforc/N，第i步计算时间步长内转子铜线内冷却水沿着水路方向流出的长度为
Figure BDA0002283887510000024
步骤7：取转子最长水路空心铜线平均温度tcu2ave为
Figure BDA0002283887510000025
将时刻tt的初值取为tt＝0，将冷却水流出模型长度LL的初值取为LL＝0；
步骤8：计算从初值开始第i个计算时间步长内转子强励发出的热量Ecu2，则有：
Figure BDA0002283887510000026
步骤9：计算从初值开始第i个计算时间步长内转子强励完成时的转子空心铜线内铜和水的最高温升θcu2forc和θw2forc，则有：
Figure BDA0002283887510000027
步骤10：绘制时刻tt的转子空心铜线内铜和水温升随导线长度变化曲线，tt＝tt+Δti，以转子最长水路空心导线长度为横轴，以转子空心铜线内水温升为向上的纵轴，以转子空心铜线内铜温升为向下的纵轴，转子空心铜线内水温升曲线过原点(0,0)和点(Lw2,θw2bg0)，转子空心铜线内铜温升曲线也过原点(0,0)和点(Lw2,θw2bg0)，转子空心铜线内水温升曲线与转子空心铜线内铜温升曲线关于横轴对称；
步骤11：绘制时刻tt的转子空心铜线外冷却水温升随导线长度方向变化曲线，以转子最长水路空心导线长度为横轴，以转子空心铜线外冷却水温升为向上的纵轴，转子空心铜线内水温升曲线过点(LL,θw2bg0)和(Lw2+LL,θw2forc)；
步骤12：取转子最长水路空心铜线平均温度新值θw2bg0＝θw2forc，对应的冷却水流出长度LL＝LL+Lw2o，重新步骤7～步骤11N-1次，直到时刻tt＝tforc，此时刻下得到的θw2forc＝θcu2forc就是最终转子强励完成时的转子空心铜线内铜和水的最高温升，最终转子强励完成时的转子空心铜线内铜和水的最高温度为tw2forc＝tcu2forc＝θw2forc+tw2in。
本发明基于能量守恒原理提出了一种用于求解水冷转子绕组强励温度的计算思路和方法。本发明只需要输入13个参数，即可完成计算和绘图，而且能很好地适应双水内冷隐极同步电机转子强励温度计算和曲线绘制的要求，达到便捷、迅速、准确获得水冷转子强励温度的目的。
附图说明
图1及图2为转子强励温升数据及其曲线；
图3为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明提供了一种双水内冷隐极同步电机转子强励温度的计算方法包括以下步骤：
步骤1：输入计算模型的总共13个参数及强励参数，包括转子空心导线入口冷却水温度tw2in(单位：℃)、转子空心导线铜截面积Acu2(单位：mm2)、转子空心导线通水内孔截面积Aw2(单位：mm2)、转子最长水路空心导线长度Lw2(单位：m)、转子最长水路空心导线水量qw2(单位：t/h)、强励开始前转子最长水路空心导线最高水温升θw2bg0(单位：K)、励磁电流If(单位：A)、强励倍数Kforc(单位：p.u)、强励时间tforc(单位：s)、水的比热Cw(单位：J/kg/K)、水的密度ρw(单位：kg/m3)、铜的比热Ccu(单位：J/kg/K)、铜的密度ρcu(单位：kg/m3)；
步骤2：绘制转子空心铜线内铜和水初始温升随导线长度变化曲线，以转子最长水路空心导线长度为横轴，以转子空心铜线内水温升为向上的纵轴，以转子空心铜线内铜温升为向下的纵轴，转子空心铜线内水温升曲线过原点(0,0)和点(Lw2,θw2bg0)，转子空心铜线内铜温升曲线也过原点(0,0)和点(Lw2,θw2bg0)，转子空心铜线内水温升曲线与转子空心铜线内铜温升曲线关于横轴对称；
步骤3：计算转子最长水路空心铜线内铜的吸热系数Kcu2：
Figure BDA0002283887510000041
(单位：kJ/K)；
步骤4：计算转子最长水路空心铜线内水的吸热系数Kw2：
Figure BDA0002283887510000042
(单位：kJ/K)；
步骤5：计算转子最长水路空心铜线外水的吸热系数：
Figure BDA0002283887510000043
(单位：kJ/K)；
步骤6：选定任意正整数N作为计算步数，则第i个计算时间步长为Δti＝tforc/N，第i步计算时间步长内转子铜线内冷却水沿着水路方向流出的长度为
Figure BDA0002283887510000044
(单位：m)；
步骤7：取转子最长水路空心铜线平均温度tcu2ave为
Figure BDA0002283887510000051
(单位：℃)，将时刻tt的初值取为tt＝0(单位：s)，将冷却水流出模型长度LL的初值取为LL＝0(单位：m)；
步骤8：计算从初值开始第i个计算时间步长内转子强励发出的热量Ecu2，则有：
Figure BDA0002283887510000052
(单位：kJ)；
步骤9：计算从初值开始第i个计算时间步长内转子强励完成时的转子空心铜线内铜和水的最高温升θcu2forc和θw2forc，则有：
Figure BDA0002283887510000053
(单位：K)；
步骤10：绘制时刻tt的转子空心铜线内铜和水温升随导线长度变化曲线，tt＝tt+Δti，以转子最长水路空心导线长度为横轴，以转子空心铜线内水温升为向上的纵轴，以转子空心铜线内铜温升为向下的纵轴，转子空心铜线内水温升曲线过原点(0,0)和点(Lw2,θw2bg0)，转子空心铜线内铜温升曲线也过原点(0,0)和点(Lw2,θw2bg0)，转子空心铜线内水温升曲线与转子空心铜线内铜温升曲线关于横轴对称；
步骤11：绘制时刻tt的转子空心铜线外冷却水温升随导线长度方向变化曲线，以转子最长水路空心导线长度为横轴，以转子空心铜线外冷却水温升为向上的纵轴，转子空心铜线内水温升曲线过点(LL,θw2bg0)和(Lw2+LL,θw2forc)；
步骤12：取转子最长水路空心铜线平均温度新值θw2bg0＝θw2forc(单位：K)，对应的冷却水流出长度LL＝LL+Lw2o(单位：m)，重新步骤7～步骤11N-1次，直到时刻tt＝tforc(单位：s)，此时刻下得到的θw2forc＝θcu2forc就是最终转子强励完成时的转子空心铜线内铜和水的最高温升，最终转子强励完成时的转子空心铜线内铜和水的最高温度为tw2forc＝tcu2forc＝θw2forc+tw2in(单位：℃)。
本发明提供的方法克服了现有技术的不足，输入数据少，操作简便，曲线绘制迅捷。
本发明提供的新算法，既可以用人工手算完成，也可以通过各类编程语言实现。为了更加直观地体现本发明提出的计算思路，本专利案例选择了OFFICE办公软件中的EXCEL作输入、输出界面，并以EXCEL自带的VB编程语言实现本发明的计算。
通过以下实施例，可以详尽和具体地说明本发明。本实施例中，在windows操作系统下，采用EXCEL-VBA语言编制了一个名为TDFRW(Turbine-generator Design programfor Force-excitation of Rotor Winding)的一种双水内冷隐极同步电机转子强励温度自动计算和曲线绘制程序。此程序为windows操作系统下表格工具EXCEL的应用程序。
以QFS-300MVar型调相机一个编号为T22K的设计方案为例，绘制其水温-出力曲线，具体步骤如下：
第一步：打开EXCEL，在名为“输入”的子表中单元格(C6,C7,…,C14)、(C16,C17,…,C19)内输入数据，包括转子空心导线入口冷却水温度tw2in＝43(单位：℃)、转子空心导线铜截面积Acu2＝246.56(单位：mm2)、转子空心导线通水内孔截面积Aw2＝56.25(单位：mm2)、转子最长水路空心导线长度Lw2＝108.96(单位：m)、转子最长水路空心导线水量qw2＝1.1(单位：t/h)、强励开始前转子最长水路空心导线最高水温升θw2bg0＝6.825(单位：K)、励磁电流If＝1835(单位：A)、强励倍数Kforc＝2.5(单位：p.u)、强励时间tforc＝15(单位：s)、水的比热Cw＝4200(单位：J/kg/K)、水的密度ρw＝1000(单位：kg/m3)、铜的比热Ccu＝390(单位：J/kg/K)、铜的密度ρcu＝8900(单位：kg/m3)；
第二步：用鼠标单击单元格(C1)内的“计算”按纽，程序根据发明内容“步骤2-步骤12”完成转子强励温升的自动计算和曲线绘制。在名为“绘图”的子表中单元格(A7,A8，…)、(B7,B8,…)内分别列出计算时刻及其对应的转子强励温升，这些转子强励温升数据及其曲线如图1及图2所示。
本发明提供了一种根据数量很少的几个发电机技术参数便能够自动绘制转子强励温升曲线的方法，操作简便、迅捷，能够很好地适用于双水内冷的隐极式同步电机。

Claims (1)

1.一种双水内冷隐极同步电机转子强励温度的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：输入计算模型的总共13个参数及强励参数，包括转子空心导线入口冷却水温度tw2in、转子空心导线铜截面积Acu2、转子空心导线通水内孔截面积Aw2、转子最长水路空心导线长度Lw2、转子最长水路空心导线水量qw2、强励开始前转子最长水路空心导线最高水温升θw2bg0、励磁电流If、强励倍数Kforc、强励时间tforc、水的比热Cw、水的密度ρw、铜的比热Ccu、铜的密度ρcu；
步骤2：绘制转子空心铜线内铜和水初始温升随导线长度变化曲线，以转子最长水路空心导线长度为横轴，以转子空心铜线内水温升为向上的纵轴，以转子空心铜线内铜温升为向下的纵轴，转子空心铜线内水温升曲线过原点(0,0)和点(Lw2,θw2bg0)，转子空心铜线内铜温升曲线也过原点(0,0)和点(Lw2,θw2bg0)，转子空心铜线内水温升曲线与转子空心铜线内铜温升曲线关于横轴对称；
步骤3：计算转子最长水路空心铜线内铜的吸热系数Kcu2：
Figure FDA0002283887500000011
步骤4：计算转子最长水路空心铜线内水的吸热系数Kw2：
Figure FDA0002283887500000012
步骤5：计算转子最长水路空心铜线外水的吸热系数：
Figure FDA0002283887500000013
步骤6：选定任意正整数N作为计算步数，则第i个计算时间步长为Δti＝tforc/N，第i步计算时间步长内转子铜线内冷却水沿着水路方向流出的长度为
Figure FDA0002283887500000014
步骤7：取转子最长水路空心铜线平均温度tcu2ave为
Figure FDA0002283887500000015
将时刻tt的初值取为tt＝0，将冷却水流出模型长度LL的初值取为LL＝0；
步骤8：计算从初值开始第i个计算时间步长内转子强励发出的热量Ecu2，则有：
Figure FDA0002283887500000021
步骤9：计算从初值开始第i个计算时间步长内转子强励完成时的转子空心铜线内铜和水的最高温升θcu2forc和θw2forc，则有：
Figure FDA0002283887500000022
步骤10：绘制时刻tt的转子空心铜线内铜和水温升随导线长度变化曲线，tt＝tt+Δti，以转子最长水路空心导线长度为横轴，以转子空心铜线内水温升为向上的纵轴，以转子空心铜线内铜温升为向下的纵轴，转子空心铜线内水温升曲线过原点(0,0)和点(Lw2,θw2bg0)，转子空心铜线内铜温升曲线也过原点(0,0)和点(Lw2,θw2bg0)，转子空心铜线内水温升曲线与转子空心铜线内铜温升曲线关于横轴对称；
步骤11：绘制时刻tt的转子空心铜线外冷却水温升随导线长度方向变化曲线，以转子最长水路空心导线长度为横轴，以转子空心铜线外冷却水温升为向上的纵轴，转子空心铜线内水温升曲线过点(LL,θw2bg0)和(Lw2+LL,θw2forc)；
步骤12：取转子最长水路空心铜线平均温度新值θw2bg0＝θw2forc，对应的冷却水流出长度LL＝LL+Lw2o，重新步骤7～步骤11N-1次，直到时刻tt＝tforc，此时刻下得到的θw2forc＝θcu2forc就是最终转子强励完成时的转子空心铜线内铜和水的最高温升，最终转子强励完成时的转子空心铜线内铜和水的最高温度为tw2forc＝tcu2forc＝θw2forc+tw2in。
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