變頻凸極同步電動(dòng)機(jī)阻尼條斷裂故障分析

李金香，田 昕，孫玉田，陳潤年

（哈爾濱大電機(jī)研究所，哈爾濱 150040）

1 前言

凸極同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極大都由疊片制成。對于發(fā)電機(jī)，為提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、削弱過電壓的影響、抑制轉(zhuǎn)子自由振蕩、提高電機(jī)承擔(dān)不對稱負(fù)荷的能力和加速發(fā)電機(jī)自同期并入系統(tǒng)等，在極靴上加裝阻尼繞組；對于電動(dòng)機(jī)，為了實(shí)現(xiàn)異步起動(dòng)，在極靴上加裝了做為起動(dòng)繞組的阻尼繞組。通過阻尼環(huán)和極間連接片把阻尼條連接起來，形成全阻尼和半阻尼結(jié)構(gòu)。凸極同步電機(jī)無論作為發(fā)電機(jī)還是電動(dòng)機(jī)，阻尼條斷裂時(shí)有發(fā)生[1]。而變頻凸極同步電動(dòng)機(jī)常用于軋鋼等惡劣情況，阻尼條頻繁受到起、停和突加負(fù)載的沖擊，其阻尼系統(tǒng)故障更加頻繁。本鋼變頻凸極同步電動(dòng)機(jī)磁極為疊片式，全阻尼結(jié)構(gòu)。投運(yùn)后，于2006年上半年（九月份到大修期）發(fā)現(xiàn)電機(jī)的部分阻尼條斷裂，如圖1所示。為了分析故障的原因，本文對轉(zhuǎn)子偏心后阻尼繞組電流和電磁力進(jìn)行了數(shù)值分析計(jì)算。

2 計(jì)算方法

為了準(zhǔn)確分析該故障原因，本文采用場路耦合時(shí)變電磁場有限元方法對阻尼條電流和電磁力進(jìn)行分析計(jì)算，其計(jì)算方法詳見參考文獻(xiàn)[2]～[3]。本文主要考慮靜態(tài)偏心對阻尼條電流和電磁力的影響。

圖1 本鋼變頻凸極同步電動(dòng)機(jī)阻尼條故障

由于求解的是電機(jī)偏心問題，需對整個(gè)電機(jī)進(jìn)行模擬，有限元求解區(qū)域如圖2所示。耦合的電路模型如圖3所示。圖3中，Rf、Lf為勵(lì)磁繞組端部電阻和電感，Bf_plus、Bf_minus為勵(lì)磁繞組的有限元區(qū)域，Q1為阻尼繞組，If為勵(lì)磁電流源。L_A、L_B和L_C分別為三相定子繞組的端部漏感；BA_plus、BA_minus、BB_plus、BB_minus、BC_plus和 BC_ minus分別為三相定子繞組有限元區(qū)域；RA、RB和 RC為定子三相繞組電阻。

圖2 求解區(qū)域

圖3 負(fù)載電路模型

3 負(fù)載磁場

同步電機(jī)帶上負(fù)載以后，定子三相對稱繞組中流過三相對稱的電流。因此，定子繞組會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電樞磁勢，這時(shí)將由勵(lì)磁磁勢和電樞磁勢合成一個(gè)總磁勢來產(chǎn)生氣隙磁通，在定子繞組中感應(yīng)電勢。

在進(jìn)行負(fù)載工況計(jì)算時(shí)，需要設(shè)置定轉(zhuǎn)子磁場的相對位置。對于本電機(jī)（額定功率因數(shù)為1），不考慮定子繞組電阻時(shí)，磁勢—電勢相量圖如圖4所示[4]。

勵(lì)磁磁勢、電樞磁勢的夾角θ為 90°＋δ，其中功角δ可根據(jù)參數(shù)求取。這里以本鋼 4300kW、6600V、10Hz的參數(shù)為例進(jìn)行計(jì)算。

（1）功角δ的計(jì)算（以下均為標(biāo)幺值計(jì)算）

（2）激勵(lì)源給定

首先保證定子A相電流最大時(shí)，電樞磁勢處于d軸位置，然后通過給定初相角θ調(diào)整電樞磁場位置。

勵(lì)磁繞組中通入滿載勵(lì)磁電流，定子各相繞組施加的電流為：

圖4 磁勢—電勢相量圖（發(fā)電機(jī)慣例）

根據(jù)磁勢相量圖和本電機(jī)不同頻率的具體參數(shù)計(jì)算得功角δ和初相角θ如表1所示。

表1 內(nèi)功率因數(shù)角和初相角

4 計(jì)算結(jié)果及分析

采用場路耦合時(shí)步有限元方法直接仿真電機(jī)的負(fù)載運(yùn)行工況，計(jì)算分析電機(jī)轉(zhuǎn)子不同偏心后，阻尼條電流和電磁力的變化情況。計(jì)算中假定變頻器的輸出電流為正弦波，未考慮諧波，其大小為額定電流；轉(zhuǎn)子繞組通以額定勵(lì)磁電流。利用第3節(jié)的方法確定定轉(zhuǎn)子磁場的相對位置。首先分析了轉(zhuǎn)子不偏心時(shí)的空載磁場、氣隙磁密和空載電壓波形，分別如圖 5～圖7所示。然后針對偏心分別為2mm和3mm、頻率為10Hz和15Hz的負(fù)載工況進(jìn)行了分析計(jì)算，其磁場分布、氣隙磁密波形、阻尼條電流和電磁力分別如圖 8～圖 13所示。表2給出了阻尼條的最大電磁力和離心力，同時(shí)給出了阻尼條的電流變化情況。圖10～圖13中阻尼條從磁極的迎風(fēng)面到背風(fēng)面的排列順序依次編號(hào)為1～5。一號(hào)極起始位置位于氣隙最大處，十六號(hào)極起始位置位于氣隙最小處。

圖5 空載磁場分布圖

圖6 空載氣隙磁密波形

圖7 空載相電壓波形

圖8 負(fù)載磁場分布圖

圖9 10Hz負(fù)載工況半個(gè)電機(jī)氣隙磁密波形（幅值）

圖10 負(fù)載無偏心阻尼繞組電流

圖11 負(fù)載無偏心阻尼繞組電磁力（幅值）

圖12 15Hz負(fù)載工況阻尼條電流（偏心為3mm）

從圖10～圖13可見：阻尼條電流和電磁力按齒頻交變，它們的峰值變化頻率為轉(zhuǎn)頻頻率；迎風(fēng)面的阻尼條電磁力明顯大于其他阻尼條的電磁力，與之相鄰的阻尼條電磁力次之。從表2可見：偏心后阻尼條的電磁力顯著增大，為無偏心時(shí)的13倍到17倍之多；同一偏心情況下，阻尼條電磁力隨電機(jī)頻率（轉(zhuǎn)速）的增加而有所增大；同一頻率下，阻尼條電磁力隨偏心的增大而增加。偏心時(shí)阻尼條最大電磁力比其離心力大得多，且其位于迎風(fēng)面。這是造成阻尼條斷裂故障的重要原因。

圖13 15Hz負(fù)載工況阻尼條電磁力（偏心為3mm）

表2 額定負(fù)載工況阻尼條的電流和電磁力

5 結(jié)論

本文對無偏心和偏心分別為2mm和3mm情況下電機(jī)額定負(fù)載工況進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，阻尼條電磁力按齒頻的頻率交變，其峰值按轉(zhuǎn)頻變化，且隨著偏心的增大而增加，隨電機(jī)頻率（轉(zhuǎn)速）的增加而增大；迎風(fēng)面阻尼條的電磁力最大，而背風(fēng)面阻尼條的電磁力很??；額定負(fù)載無偏心，阻尼條的電磁力小于其離心力；當(dāng)存在偏心時(shí)，阻尼條的電磁力顯著增大，幾種情況迎風(fēng)面阻尼條的最大電磁力均超過了離心力。這給電機(jī)造成相當(dāng)?shù)奈：?，是阻尼條斷裂的重要原因。

附錄 本鋼變頻凸極同步電動(dòng)機(jī)主要數(shù)據(jù)

額定容量/kVA 4554 4558

額定功率/kW 4300 4300

額定電壓/V 6600 6600

額定電流/A 398.4 398.8

空載勵(lì)磁電流/A 301.02 185.58

額定勵(lì)磁電流/A 437.89 379.02

頻率/Hz 10 15

轉(zhuǎn)速/（r/min） 40 60

極數(shù) 30 30

功率因數(shù) 1 1

直軸同步電抗/p.u. 1.2904 1.9384

交軸同步電抗/p.u. 0.8581 1.2891

[1]鄧東，孫玉田，譚國偉，李金香. 飛來峽水電站發(fā)電機(jī)的運(yùn)行故障分析[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2003, (6):13-17.

[2]李金香,孫玉田，蔣寶剛. 超高壓發(fā)電機(jī)短路特性和參數(shù)計(jì)算[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2008, (6).

[3]Jean-Eric Torlay, et al. Analysis of Shaft Voltages and Circulating Currents in the Parallel-Connected Windings in Large Synchronous Generator[J].Electric Power Components and Systems, 30:135-149, 2002.

[4]湯蘊(yùn)璆, 史乃. 電機(jī)學(xué)[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社（第二版）, 2006.