CN111222251B - 一种大型同步调相机定子温度场计算方法和系统 - Google Patents
一种大型同步调相机定子温度场计算方法和系统 Download PDFInfo
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Abstract
本申请公开了一种大型同步调相机定子温度场计算方法和系统，所述方法包括以下步骤：建立大型同步调相机定子流体场简化模型；计算定子铁耗、定子绕组铜耗、空气域以及流体场流速；将定子流体场的简化模型导入流体场仿真软件；将定子铁耗、定子绕组铜耗、空气域以及流体场流速作为载荷施加在定子流体场简化模型上，计算定子流体场简化模型温度场的分布。本申请利用ANSYS中Fluent流体场仿真软件，结合电磁学流体场等相关知识，给出了较为准确地计算大型同步调相机定子温度场的计算方法，为大型同步调相机定子温度场的计算提供理论上的指导。
Description
技术领域
本发明属于大型电机物理场仿真分析技术领域，涉及一种大型同步调相机定子温度场计算方法和系统。
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。
电机的动态模拟技术有一定的基础，目前准确计算电机参数和性能的重要前提是获得正确的磁场分布，用电磁场分析取代传统的磁路计算正是实现这一目标的有效手段。在电机电磁场分析中，正确建立数学模型是进行后续分析的基础。
随着计算机技术和数值计算方法的发展，有限元以其较高的计算精度在电机温升的计算中渐渐占据主要地位，并可以得到整个电机内部各点的具体温度，在得知调相机的温度分布之后，对温度传感器的安装具有指导作用。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定子温度场计算方法和系统。
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：
步骤1：建立大型同步调相机定子流体场简化模型；
步骤2：计算定子铁耗、定子绕组铜耗、空气域以及流体场流速；
步骤3：将定子流体场的简化模型导入流体场仿真软件；
步骤4：将定子铁耗、定子绕组铜耗、空气域以及流体场流速作为载荷施加在定子流体场简化模型上，计算定子流体场简化模型温度场的分布。
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子结构，根据对称性原则，在Solidworks软件中，选择一个定子槽作为建模对象，定子铁心以及定子绕组采用1：1等比例尺寸建立定子流体场简化模型。
优选地，步骤2所述定子铁耗的计算方法有两种，其一是根据铭牌给定的参数值依靠经验公式进行计算，其二是采用软件分析计算。
优选地，步骤2中，采用软件分析计算定子铁耗，包括以下步骤：
根据对称性，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；
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；
忽略定子冷却水的影响，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，利用Maxwell电磁仿真软件对定转子电磁场仿真分析，得出调相机定子铁耗。
优选地，步骤2所述定子绕组铜耗依据铭牌上定子额定励磁电流计算得到；流体场流速依据水流量与通水管面积的比求得；空气域流速参考工程上的计算结果得到。
优选地，步骤3中，将步骤2建立的3D定子流体场简化模型转化为.x_t格式，然后一键导入Fluent仿真软件中。
优选地，步骤4中，利用Fluent仿真软件对流入定子空气域以及冷却水管内的流体场进行流体场计算，得到定子流体场简化模型的温度场分布，具体为：
首先添加定子铁心、定子绕组、绝缘部件、冷却水、空气域的材料属性；
然后对定子铁心施加损耗激励，定子绕组施加铜耗激励，空气域以及流体场分别施加流速激励；
接着设置求解步数，对定子空气域以及冷却水管内的流体场并进行流体场计算，得到定子流体场简化模型的温度场分布。
优选地，定子铁心的材料属性为硅钢片；定子绕组的材料属性为铜；绝缘部件的材料属性为绝缘材料；冷却水和空气域采用材料库中的材料，冷却水是纯净水。
本申请还公开了另一件发明，即一种大型同步调相机定子温度场计算系统，所述系统包括第一建立单元、第一计算单元、第二建立单元、分析单元和第二计算单元；
所述第一建立单元，用于建立大型同步调相机定子流体场简化模型；
所述第一计算单元，用于计算定子铁耗；
所述第二建立单元，将定子流体场的简化模型导入流体场仿真软件；
所述第二计算单元，用于将定子铁耗、定子绕组铜耗、冷却水速以及冷却风速作为载荷施加在定子流体场简化模型上，计算定子流体场简化模型温度场的分布。
本申请所达到的有益效果：
本申请根据大型同步调相机本体结构，以一个定子槽作为温度场的研究对象，建立定子流体场简化模型，首先采用仿真分析的方法算得调相机校准的定子铁耗；进而将计算所得的定子铁耗、空气域以及流体场流速作为载荷施加在定子流体场简化模型中相应的部分，较为准确地对定子空气域以及冷却水管内的流体场进行流体场计算，得到定子流体场简化模型的温度场分布，为大型同步调相机定子温度场的计算提供理论上的指导。
附图说明
图1为本申请一种大型同步调相机定子温度场计算方法的流程图；
图2为本申请实施例中简化的定子流体场模型示意图；
图3为本申请实施例中调相机定转子简化模型及磁场分布示意图；
图4为本申请实施例中调相机定子铁耗量；
图5为本申请实施例中温度场分析计算流程图；
图6为一种大型同步调相机定子温度场计算系统的结构框图；
其中附图2的标记为：空气域1、定子铁心2、流固耦合面3、定子绕组的绝缘套管4、定子绕组5、空心铜排线6和定子铜排线绕组7。
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。
以下以国内现役双水内冷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定子温度场计算方法，包括以下步骤：
步骤1：基于大型同步调相机定子结构，根据对称性原则，在Solidworks软件中，选择一个定子槽作为建模对象，定子铁心以及定子绕组采用1：1等比例尺寸建立定子流体场简化模型。
实施例中，300Mvar大型同步调相机定子流体场简化图如图2所示，图中两个定子铁心2之间形成空气域1，空气域1与定子铁心2的接触面为流固耦合面3，定子绕组的绝缘套管4，定子绕组5，定子绕组5放大部分如附图2中右边部分，定子铜排线绕组7，空心铜排线6，空心铜排线6中通入纯净的冷却水。
步骤2：计算定子铁耗、定子绕组铜耗、空气域以及流体域流速；
定子铁耗的计算方法有两种，其一是根据铭牌给定的参数值依靠经验公式进行计算，其二是采用软件分析计算。
本申请实施例中，采用软件分析计算定子铁耗，包括以下步骤：
根据对称性，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；
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；
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，利用Maxwell电磁仿真软件对定转子电磁场仿真分析，得出调相机定子铁耗。
采用软件分析计算定子铁耗的方法计算结果更精确，使用者可自行选择。
本申请实施例中，根据对称性，对两级的调相机，选取一半建立大型同步调相机定转子模型利用Maxwell分析调相机电磁场分布并提取定子铁耗，在分析调相机电磁场分布时，忽略冷却水部分的影响。
300Mvar大型同步调相机定转子电磁场仿真后，选择Field Overlays/Fields/B/Mag_B得到如图3所示的电磁场分布图。依次选取Results/Create Transient Report/Rectangular Plot/Loss/Core Loss提取出的定子铁耗如图4所示。
定子绕组铜耗是依据铭牌上定子额定励磁电流算得的；流体场流速依据水流量与通水管面积的比求得；空气域的空气流速是参考工程上的计算结果的到的，至于求解方法在很多文献中都有相应的计算，此处就不列举出来，当然如果可以采用仿真的方法计算出一个准确值，这会使得计算结果更准确，但本专利重点不在此处，是以先不去探究。
步骤3：将步骤2建立的3D定子流体场简化模型转化为.x_t格式，然后一键导入Fluent仿真软件中；
步骤4：利用Fluent仿真软件对流入定子空气域1以及冷却水管(空心铜排线6)内的流体场进行流体场计算，得到定子流体场简化模型的温度场分布，具体为：
首先添加定子铁心、定子绕组、绝缘部件、冷却水、空气域的材料属性：
定子铁心选择硅钢片作为主题材料，如果有工程材料性质的话可以对相应的电导率，电阻率，以及B-H曲线做出相应的修改，但如果工程材料性质不足的话，可以直接用系统内的材料库里的材料性质作为仿真材料，但结果上会有偏差，最好把材料的性质设置成与工程材料相符，这样计算出的结果比较准确；
定子绕组采用铜，材料参数可以不用改动，直接采用数据库中的资料即可，因为工程上就是采用铜来作为导线材料；
绝缘材料采用工程上的绝缘材料，对导热率等参数进行设置；
冷却水冷却空气直接采用材料库中的材料，不需要做出更多的改变，冷却水是纯净水；
然后对定子铁心施加损耗激励，定子绕组施加铜耗激励，空气域以及流体场分别施加流速激励：
接着设置求解步数(求解步数一般不低于100,此处依经验设为500)，对流入定子空气域以及冷却水管内的流体场进行流体场计算，得到定子流体场简化模型的温度场分布。
实施例中，300Mvar大型同步调相机定转子的温度场分析计算流程图如图5所示，建立大型同步调相机定子流体场简化模型，划分网格之后，分别将计算所得的定子铁耗以施加在定子铁心上，定子绕组施加铜耗激励，空气域以及流体域分别施加流速激励，通过设置求解器，计算出定子铁心的温度场。当残差值(仿真过程中界面会实时的更新每一步计算后的残差值)小于10e-3时，则可以认为模型收敛，如果结果不收敛则需要对求解器进行重新设置(即求解步数，求解环境，网格大小做出调整)，直到仿真收敛为止。
如图6所示，本申请的一种大型同步调相机定子温度场计算系统，
所述第一建立单元，用于建立大型同步调相机定子流体场简化模型；
所述第一计算单元，用于计算定子铁耗；
所述第二建立单元，将定子流体场的简化模型导入流体场仿真软件；
所述第二计算单元，用于将定子铁耗、定子绕组铜耗、冷却水速以及冷却风速作为载荷施加在定子流体场简化模型上，计算定子流体场简化模型温度场的分布
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定子温度场计算方法，其特征在于：
所述方法包括以下步骤：
步骤1：建立大型同步调相机定子流体场简化模型；
基于大型同步调相机定子结构，根据对称性原则，在Solidworks软件中，选择一个定子槽作为建模对象，定子铁心以及定子绕组采用1：1等比例尺寸建立定子流体场简化模型；
步骤2：计算定子铁耗、定子绕组铜耗、空气域以及流体场流速；
采用软件分析计算定子铁耗，包括以下步骤：
根据对称性，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；
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；
忽略定子冷却水的影响，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，利用Maxwell电磁仿真软件对定转子电磁场仿真分析，得出调相机定子铁耗；
步骤3：将定子流体场的简化模型导入流体场仿真软件；
步骤4：将定子铁耗、定子绕组铜耗、空气域以及流体场流速作为载荷施加在定子流体场简化模型上，计算定子流体场简化模型温度场的分布。
2.根据权利要求1所述的一种大型同步调相机定子温度场计算方法，其特征在于：
步骤2所述定子铁耗的计算方法有两种，其一是根据铭牌给定的参数值依靠经验公式进行计算，其二是采用软件分析计算。
3.根据权利要求1所述的一种大型同步调相机定子温度场计算方法，其特征在于：
步骤2所述定子绕组铜耗依据铭牌上定子额定励磁电流计算得到；流体场流速依据水流量与通水管面积的比求得；空气域流速参考工程上的计算结果得到。
4.根据权利要求1所述的一种大型同步调相机定子温度场计算方法，其特征在于：
步骤3中，将步骤2建立的3D定子流体场简化模型转化为.x_t格式，然后一键导入Fluent仿真软件中。
5.根据权利要求1所述的一种大型同步调相机定子温度场计算方法，其特征在于：
步骤4中，利用Fluent仿真软件对流入定子空气域以及冷却水管内的流体场进行流体场计算，得到定子流体场简化模型的温度场分布，具体为：
首先添加定子铁心、定子绕组、绝缘部件、冷却水、空气域的材料属性；
然后对定子铁心施加损耗激励，定子绕组施加铜耗激励，空气域以及流体场分别施加流速激励；
接着设置求解步数，对定子空气域以及冷却水管内的流体场进行流体场计算，得到定子流体场简化模型的温度场分布。
6.根据权利要求5所述的一种大型同步调相机定子温度场计算方法，其特征在于：
定子铁心的材料属性为硅钢片；定子绕组的材料属性为铜；绝缘部件的材料属性为绝缘材料；冷却水和空气域采用材料库中的材料，冷却水是纯净水。
7.一种大型同步调相机定子温度场计算系统，利用权利要求1-6任意一项所述的温度场计算方法，其特征在于：
所述系统包括第一建立单元、第一计算单元、第二建立单元和第二计算单元；
所述第一建立单元，用于建立大型同步调相机定子流体场简化模型；
所述第一计算单元，用于计算定子铁耗、定子绕组铜耗、空气域以及流体场流速；
所述第二建立单元，将定子流体场的简化模型导入流体场仿真软件；
所述第二计算单元，用于将定子铁耗、定子绕组铜耗、空气域以及流体场流速作为载荷施加在定子流体场简化模型上，计算定子流体场简化模型温度场的分布。
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