大型同步調(diào)相機(jī)定子壓圈渦流損耗計(jì)算及降損方法

朱二夯 黃浩 邊旭 梁艷萍

摘要：針對(duì)工作在特高壓大直流環(huán)境下的大型同步調(diào)相機(jī)運(yùn)行時(shí)壓圈中引起的渦流損耗大，易導(dǎo)致局部過熱問題，提出了一種新型銅屏蔽結(jié)構(gòu)。首先，以一臺(tái)300Mvar同步調(diào)相機(jī)為例，建立了調(diào)相機(jī)端部區(qū)域三維暫態(tài)電磁場(chǎng)計(jì)算模型。然后，采用數(shù)值模擬方法計(jì)算了同步調(diào)相機(jī)端部磁場(chǎng)及性能參數(shù)，得到了調(diào)相機(jī)端部及結(jié)構(gòu)件的磁密、渦流電密、損耗的分布規(guī)律。對(duì)比分析了同步調(diào)相機(jī)額定運(yùn)行工況下采用傳統(tǒng)銅屏蔽和新型銅屏蔽結(jié)構(gòu)時(shí)電機(jī)端部結(jié)構(gòu)件的電磁性能。結(jié)果表明，新型銅屏蔽結(jié)構(gòu)有效阻擋了與壓圈交鏈的端部漏磁場(chǎng)，壓圈申的磁密最大值減小了11.1%，壓圈中的渦流損耗減小了19.8%，充分驗(yàn)證了新型銅屏蔽結(jié)構(gòu)的有效性，為大型電機(jī)定子端部結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：同步調(diào)相機(jī);壓圈;銅屏蔽;數(shù)值模擬;渦流損耗

DOI：10.15938/j.emc.2019.10.004

中圖分類號(hào)：TM 342文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1007-449X（2019）10-0033-08

0引言

為了應(yīng)對(duì)高壓直流輸電和新能源接人電網(wǎng)帶來的無功調(diào)節(jié)問題，同步調(diào)相機(jī)再一次被重視起來。大型同步調(diào)相機(jī)中的壓圈能夠很好的壓緊定子鐵心，防止定子鐵心因松動(dòng)引起片間絕緣損壞。大型同步調(diào)相機(jī)容量大，端部漏磁場(chǎng)強(qiáng)，壓圈中存在很大的渦流和渦流損耗，容易引起壓圈局部過熱并導(dǎo)致故障產(chǎn)生。因此，準(zhǔn)確計(jì)算壓圈渦流損耗和減小壓圈渦流損耗方法尤為重要。

由于大型電機(jī)端部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和重要性，端部磁場(chǎng)、渦流損耗和減小端部結(jié)構(gòu)件渦流損耗的方法一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。文獻(xiàn)采用2維有限元法計(jì)算了水輪發(fā)電機(jī)端部磁場(chǎng)。文獻(xiàn)采用準(zhǔn)三維有限元法計(jì)算了汽輪發(fā)電機(jī)端部結(jié)構(gòu)件的渦流損耗。采用2維或準(zhǔn)3維的計(jì)算方法不能準(zhǔn)確反映真實(shí)的3維實(shí)體模型。文獻(xiàn)采用三維有限元法求解了端蓋和機(jī)殼的渦流損耗，提出了一種三維有限元網(wǎng)格剖分方法，但并未考慮定子壓圈和銅屏蔽等結(jié)構(gòu)件的渦流損耗。文獻(xiàn)采用三維有限元法分析了大型充水式潛水電機(jī)端部壓圈渦流損耗分布和壓圈結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)渦流損耗的影響，討論了端部結(jié)構(gòu)件參數(shù)變化對(duì)渦流損耗的影響，也未考慮轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)等結(jié)構(gòu)件的渦流損耗。文獻(xiàn)采用二維和三維有限元混合方式計(jì)算了永磁同步電機(jī)永磁體的渦流損耗，分析了網(wǎng)格密度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。文獻(xiàn)采用有限元法計(jì)算了大型電機(jī)壓板的磁通密度和渦流損耗密度，并分析了大型電機(jī)模型仿真計(jì)算準(zhǔn)確性的影響因素。文獻(xiàn)采用三維有限元法分析了大型水輪電機(jī)定子端部結(jié)構(gòu)件渦流損耗，并通過對(duì)壓板結(jié)構(gòu)進(jìn)行徑向切割來減小總壓板的渦流損耗。文獻(xiàn)采用三維有限元法分析了壓板結(jié)構(gòu)對(duì)大型發(fā)電機(jī)端部磁場(chǎng)和渦流損耗的影響，詳細(xì)討論了壓板的材料和尺寸對(duì)壓板渦流損耗的影響。文獻(xiàn)通過對(duì)雙屏蔽感應(yīng)電機(jī)端部結(jié)構(gòu)件進(jìn)行軸向切割和添加絕緣來減小壓板渦流損耗。文獻(xiàn)通過改變大型水輪發(fā)電機(jī)壓板形狀來減小端部結(jié)構(gòu)件渦流損耗。所述文獻(xiàn)為電機(jī)端部壓圈或壓板渦流損耗減小提供了相應(yīng)的方法和理論依據(jù)，但這些設(shè)計(jì)方法中壓圈或壓板外圓區(qū)域的渦流損耗仍然較大。

本文通過提出一種新型銅屏蔽結(jié)構(gòu)來減小同步調(diào)相機(jī)定子端部壓圈渦流損耗。以一臺(tái)300Mvar同步調(diào)相機(jī)為例，采用數(shù)值模擬方法計(jì)算了同步調(diào)相機(jī)端部磁場(chǎng)。在額定運(yùn)行工況下，對(duì)同步調(diào)相機(jī)端部分別采用傳統(tǒng)銅屏蔽和新型銅屏蔽兩種結(jié)構(gòu)時(shí)端部結(jié)構(gòu)件的磁場(chǎng)和渦流損耗進(jìn)行了詳細(xì)的分析比較。為大型電機(jī)定子端部結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

1端部計(jì)算模型

1.1物理模型

300Mvar同步調(diào)相機(jī)如圖1所示。大型同步調(diào)相機(jī)端部結(jié)構(gòu)件主要包含定子壓圈、銅屏蔽、定子繞組、定子鐵心、磁屏蔽、阻尼環(huán)、轉(zhuǎn)子鐵心、槽楔、阻尼繞組、轉(zhuǎn)子繞組、護(hù)環(huán)等多種結(jié)構(gòu)件。同步調(diào)相機(jī)端部區(qū)域示意圖如圖2所示。同步調(diào)相機(jī)額定參數(shù)見表1。

在額定運(yùn)行工況下，同步調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)子阻尼繞組和槽楔電流都非常小，可忽略不計(jì)。同步調(diào)相機(jī)模型中將每段定子鐵心作為一個(gè)整體，避免了對(duì)每個(gè)鐵心疊片進(jìn)行細(xì)致刦分時(shí)引起的計(jì)算困難。經(jīng)以上簡(jiǎn)化，同步調(diào)相機(jī)端部磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算的物理模型如圖3所示，S₁-S₂為同步調(diào)相機(jī)的物理模型邊界。調(diào)相機(jī)端部模型使用仿真軟件進(jìn)行三維有限元計(jì)算，采用一階四面體單元對(duì)求解區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格剖分總數(shù)為1504192。牛頓迭代精確度為O.1%，共軛梯度迭代精確度為0.0001%。端部求解區(qū)域網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

1.2數(shù)學(xué)模型

在滿足工程設(shè)計(jì)要求的前提下，給出了如下假設(shè)：

1）忽略位移電流和各高次諧波;

2）忽略溫度對(duì)材料電阻率的影響;

3）所有材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率均為各向同性。

4）不同金屬部件之間的接觸表面被認(rèn)為是完整的電接觸。

通過數(shù)值模擬方法對(duì)同步調(diào)相機(jī)端部磁場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算。將定子鐵心、定子端部繞組、磁屏蔽、轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組和空氣作為非渦流區(qū)，其他區(qū)域作為渦流區(qū)進(jìn)行計(jì)算。圖3所示的端部網(wǎng)格求解域中，采用矢量電位T和標(biāo)量磁位ψ作為端部磁場(chǎng)的未知量。大型同步調(diào)相機(jī)端部磁場(chǎng)的控制方程、邊界條件、初始條件和渦流損耗可以用下面方程來表示：

在渦流區(qū)中：

2端部磁場(chǎng)分析

在同步調(diào)相機(jī)中定子鐵心是由帶有絕緣的薄硅鋼片疊壓而成的，同步調(diào)相機(jī)在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的渦流非常小，可忽略不計(jì)。壓圈和壓指的電導(dǎo)率為1.4×10⁶S/m，銅屏蔽的電導(dǎo)率為4.77×10⁷S/m。以額定運(yùn)行工況為例研究同步調(diào)相機(jī)定子端部磁場(chǎng)和渦流損耗。

同步調(diào)相機(jī)端部區(qū)域磁場(chǎng)分布如圖4所示。從圖4中可以看出端部漏磁場(chǎng)圍繞定子繞組形成閉合回路，部分磁力線穿過銅屏蔽與定子端部結(jié)構(gòu)件交鏈。銅屏蔽延長(zhǎng)了端部漏磁場(chǎng)進(jìn)入定子端部區(qū)域的路徑，削弱了定子鐵心、端部壓圈和壓指中的漏磁場(chǎng)。在區(qū)域1中，端部漏磁場(chǎng)直接穿過壓圈并在壓圈中產(chǎn)生了渦流和渦流損耗。