CN110990973A - 一种大型同步调相机电磁场仿真计算方法和系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种大型同步调相机电磁场仿真计算方法和系统，所述方法包括以下步骤：建立定转子的简化模型；将定转子的简化模型导入到电磁仿真软件中；将大型同步调相机材料参数以及定转子激励导入电磁仿真软件中，利用电磁仿真软件对定转子电磁场仿真分析；对仿真分析结果进行后处理，提取定子铁心铁耗数据以及转子的涡流损耗。本申请根据国内现役大型同步调相机本体结构，建立定转子实际以及简化模型，分别对调相机的铁耗以及涡流损耗进行了仿真计算，为进一步研究提供了数据支持。

Description

一种大型同步调相机电磁场仿真计算方法和系统

技术领域

本发明属于大型电机物理场分析技术领域，涉及一种大型同步调相机电磁场仿真计算技术，尤其涉及一种大型同步调相机电磁场仿真计算方法和系统。

背景技术

同步调相机作为电力系统传统的无功补偿设备，因其运行维护较复杂，有功功率损耗较大、运行噪声大等缺点，长期以来被SVC、SVG等电力电子设备所替代，其发展缓慢。但是近年来，随着新有源接入电网以及高压直流输电的快速发展，同步调相机又重新引起重视。

调相机的电磁场仿真技术在电机故障诊断以及电机温度场计算方面都有实际的用途，磁场计算为温度场仿真提供了损耗依据，与传统的计算方法相比，使得计算结果更加准确，另外随着计算机技术的发展，有限元以其较高的计算精度在电机物理场的计算中渐渐占据主要地位。本发明专利旨在实现调相机的电磁场分析，为调相机的进一步研究提供依据。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本申请提供一种大型同步调相机电磁场仿真计算方法和系统。

为了实现上述目标，本申请的第一件发明采用如下技术方案：

一种大型同步调相机电磁场仿真计算方法，包括以下步骤：

步骤1：建立定转子的简化模型；

步骤2：将定转子的简化模型导入到电磁仿真软件中；

步骤3：将大型同步调相机材料参数以及定转子激励导入电磁仿真软件中，利用电磁仿真软件对定转子电磁场仿真分析；

步骤4：对仿真分析结果进行后处理，提取定子铁耗以及转子的涡流损耗。

本发明进一步包括以下优选方案：

优选地，步骤1中，基于大型同步调相机定转子结构，根据对称性原则，在Solidworks软件中，依据定转子的每个部件结构模型以及尺寸参数，对每个部件进行分层建模，建立二分之一定转子简化模型；建立的定转子简化模型包括定子层，转子层，定子绕组层，转子绕组层，定子绕组绝缘层，转子绕组绝缘层，定子冷却水层，转子冷却水层，转子槽楔层以及定子槽楔层。

优选地，步骤2中，所述电磁仿真软件为Maxwell电磁仿真软件，将步骤1所建立的定转子简化模型的每一层分别保存成.x_t格式，然后采用分步分层的方法依次将定转子简化模型的每一层导入到Maxwell电磁仿真软件中。

优选地，在导入到Maxwell电磁仿真软件中时，定子绕组层先于定子冷却水层导入，转子绕组层先于转子冷却水层导入。

优选地，步骤3中，忽略冷却水的影响，将大型同步调相机定子层，转子层，定子绕组层，转子绕组层，定子绕组绝缘层，转子绕组绝缘层，定子冷却水层，转子冷却水层，转子槽楔层以及定子槽楔层材料参数、电枢电流和激励电流导入Maxwell电磁仿真软件中，选择求解器模型，设置边界条件和求解参数，利用Maxwell电磁仿真软件对定转子电磁场仿真分析，得出调相机定转子电磁场分布。

优选地，所述求解器模型为瞬态求解器，边界条件设置为Vector potential，求解参数包括求解时间和计数间隔，分别设置为0.08s和0.0002s。

本申请还公开了另一件发明，即一种大型同步调相机电磁场仿真计算系统，所述系统包括建立单元、导入单元、仿真单元和处理单元；

所述建立单元，用于建立定转子的简化模型；

所述导入单元，用于将定转子的简化模型导入到电磁仿真软件中；

所述仿真单元，用于将大型同步调相机材料参数以及定转子激励导入电磁仿真软件中，利用电磁仿真软件对定转子电磁场仿真分析；

所述处理单元，用于对仿真分析结果进行后处理，提取定子铁心铁耗数据以及转子的涡流损耗。

本申请所达到的有益效果：

本申请根据国内现役大型同步调相机本体结构，建立定转子实际以及简化模型，分别对调相机的铁耗以及涡流损耗进行了仿真计算，为进一步研究提供了数据支持。

附图说明

图1为本申请一种大型同步调相机电磁场仿真计算方法的流程图；

图2为本申请实施例中简化的定子模型示意图；

图3为本申请实施例中简化定子模型局部放大图；

图4为本申请实施例中简化转子模型示意图；

图5为本申请实施例中简化转子模型局部放大图；

图6为本申请实施例中定转子装配后示意图及其电磁场分布图；

图7为本申请实施例中调相机定子铁耗量；

图8为本申请实施例中调相机转子涡流损耗量；

图9为本申请一种大型同步调相机电磁场仿真计算系统的结构框图；

其中附图标记为：1定子铁心、2定子绕组、3垫条、4绝缘层、5定子空心铜导管、6匝间绝缘、7铜导条、8槽楔、9转子、10转子绕组、11转子槽、12转子空心铜导管、13顶端垫条、14槽楔、15层间绝缘。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。

以下以300Mvar大型同步调相机为实施例对本申请进行说明：

如图1所示，本申请的一种大型同步调相机电磁场仿真计算方法，包括以下步骤：

步骤1：建立定转子的简化模型；

实施例中，基于大型同步调相机定转子结构，根据对称性原则，在Solidworks软件中，依据定转子的每个部件结构模型以及尺寸参数，对每个部件进行分层建模，建立二分之一定转子简化模型；建立的定转子简化模型包括定子层，转子层，定子绕组层，转子绕组层，定子绕组绝缘层，转子绕组绝缘层，定子冷却水层，转子冷却水层，转子槽楔层以及定子槽楔层。

300Mvar大型同步调相机定子简化图如图2所示，局部放大结果如图3所示：

定子部分包括定子铁心1以及定子绕组2，定子绕组2包括实心导线以及空心导线，空心导线中通水作为定子冷却系统的一部分；

上述的水内冷定子绕组2为三相、双层绕组、双支路并联、Y连接；

上、下层线圈为等截面设计，线棒由实心铜导条7和定子空心铜导管5间隔排列而成，共两排，每排空心铜线3根、实心铜线12根，比例为1:4；

定子电压采用20kV设计，定子绕组主绝缘采用F级桐马酸酐多胶绝缘体系和模压工艺，双边厚度9.8mm。

定子槽底部放垫条3，层与层之间油绝缘层4，匝与匝之间由匝间绝缘6，槽顶端由槽楔8固定。

300Mvar大型同步调相机转子简化图如图4所示，局部放大结果如图5所示：

转子9上开设32个转子槽11绕有转子绕组10，槽宽﹡槽高为39.9mm﹡156.7mm，转子槽数/槽分度32/45，

转子绕组10采用转子空心铜导管12，线规为17.50mm﹡17.50mm，内孔为7.50mm﹡7.50mm；

每根铜线为一匝，铜线经层间绝缘15后，在槽内的宽度方向布置成2排，每排由6匝组成；

转子槽11内顶端由槽楔14固定，槽楔14下装有顶端垫条13；

槽底垫条置放在槽衬底部，防止在径向压紧线圈时槽衬受机械损伤；

楔下垫条置放在槽楔14和转子槽11顶匝之间，使槽楔14与线圈径向夹紧。

步骤2：将定转子的简化模型导入到电磁仿真软件中；

实施例中，所述电磁仿真软件为Maxwell电磁仿真软件，将步骤1所建立的模型的每一层分别保存成.x_t格式(.x_t格式储存路径为英文字符，储存在好找的位置，导入的时候到该位置找即可)，然后采用分步分层的方法依次将模型的每一层导入到Maxwell电磁仿真软件中。

在导入到Maxwell电磁仿真软件中时，定子绕组层先于定子冷却水层导入，转子绕组层先于转子冷却水层导入。因若想使定转子冷却水和定转子绕组层形成不同的面域(封闭线条在导入的时候可以形成一个封闭的闭合区域)，必须在定转子导线层导入之后，对空心导线的外圈和内圈做一次布尔减运算，导线外圈面域减去导线内圈面域形成一个“回”字形面域，然后才能将定转子冷却水层导入。

步骤3：将大型同步调相机材料参数以及定转子激励导入电磁仿真软件中，利用电磁仿真软件对定转子电磁场仿真分析；

实施例中，忽略冷却水的影响，将大型同步调相机定子层，转子层，定子绕组层，转子绕组层，定子绕组绝缘层，转子绕组绝缘层，定子冷却水层，转子冷却水层，转子槽楔层以及定子槽楔层材料参数、电枢电流和激励电流导入Maxwell电磁仿真软件中，选择求解器模型为瞬态求解器(计算损耗的求解器)，边界条件设置为Vector potential，设置求解参数(求解时间0.08，计数间隔0.0002s)，利用Maxwell电磁仿真软件对定转子电磁场仿真分析，选中300Mvar大型同步调相机定转子模型所有面域，电磁场的分布可以一次选择FieldOverlays/Fields/B/Mag_B得到如图6所示的电磁场分布图。

步骤4：对仿真分析结果进行后处理，提取定子铁耗以及转子的涡流损耗。

实施例中，依次选取Results/Create Transient Report/Rectangular Plot/Loss/Core Loss提取出的定子铁耗如图7所示，依次选取Results/Create TransientReport/Rectangular Plot/Loss/Eddy Current Loss提取出的定子涡流损耗如图8所示。

如图9所示，本申请的一种大型同步调相机电磁场仿真计算系统，所述系统包括建立单元、导入单元、仿真单元和处理单元；

所述建立单元，用于建立定转子的简化模型；

所述导入单元，用于将定转子的简化模型导入到电磁仿真软件中；

所述仿真单元，用于将大型同步调相机材料参数以及定转子激励导入电磁仿真软件中，利用电磁仿真软件对定转子电磁场仿真分析；

所述处理单元，用于对仿真分析结果进行后处理，提取定子铁心铁耗数据以及转子的涡流损耗。

本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种大型同步调相机电磁场仿真计算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：建立定转子的简化模型；

步骤2：将定转子的简化模型导入到电磁仿真软件中；

步骤3：将大型同步调相机材料参数以及定转子激励导入电磁仿真软件中，利用电磁仿真软件对定转子电磁场仿真分析；

步骤4：对仿真分析结果进行后处理，提取定子铁耗以及转子的涡流损耗。

2.根据权利要求1所述的一种大型同步调相机电磁场仿真计算方法，其特征在于：

步骤1中，基于大型同步调相机定转子结构，根据对称性原则，在Solidworks软件中，依据定转子的每个部件结构模型以及尺寸参数，对每个部件进行分层建模，建立二分之一定转子简化模型；建立的定转子简化模型包括定子层，转子层，定子绕组层，转子绕组层，定子绕组绝缘层，转子绕组绝缘层，定子冷却水层，转子冷却水层，转子槽楔层以及定子槽楔层。

3.根据权利要求1所述的一种大型同步调相机电磁场仿真计算方法，其特征在于：

步骤2中，所述电磁仿真软件为Maxwell电磁仿真软件，将步骤1所建立的定转子简化模型的每一层分别保存成.x_t格式，然后采用分步分层的方法依次将定转子简化模型的每一层导入到Maxwell电磁仿真软件中。

4.根据权利要求3所述的一种大型同步调相机电磁场仿真计算方法，其特征在于：

在导入到Maxwell电磁仿真软件中时，定子绕组层先于定子冷却水层导入，转子绕组层先于转子冷却水层导入。

5.根据权利要求1所述的一种大型同步调相机电磁场仿真计算方法，其特征在于：

步骤3中，忽略冷却水的影响，将大型同步调相机定子层，转子层，定子绕组层，转子绕组层，定子绕组绝缘层，转子绕组绝缘层，定子冷却水层，转子冷却水层，转子槽楔层以及定子槽楔层材料参数、电枢电流和激励电流导入Maxwell电磁仿真软件中，选择求解器模型，设置边界条件和求解参数，利用Maxwell电磁仿真软件对定转子电磁场仿真分析，得出调相机定转子电磁场分布。

6.根据权利要求5所述的一种大型同步调相机电磁场仿真计算方法，其特征在于：

所述求解器模型为瞬态求解器，边界条件设置为Vector potential，求解参数包括求解时间和计数间隔，分别设置为0.0 8s和0.0002s。

7.一种大型同步调相机电磁场仿真计算系统，其特征在于：

所述系统包括建立单元、导入单元、仿真单元和处理单元；

所述建立单元，用于建立定转子的简化模型；

所述导入单元，用于将定转子的简化模型导入到电磁仿真软件中；

所述仿真单元，用于将大型同步调相机材料参数以及定转子激励导入电磁仿真软件中，利用电磁仿真软件对定转子电磁场仿真分析；

所述处理单元，用于对仿真分析结果进行后处理，提取定子铁心铁耗数据以及转子的涡流损耗。

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