计及励磁系统的同步电机时步有限元模型研究

为更全面和准确地反映同步电机实际的运行状态,在基于S函数建立的单机-无穷大系统场-路-网耦合时步有限元模型中增加AVR(自动励磁调节器)及PSS(电力系统稳定器)模型。对几种典型小扰动和大扰动工况分别运用经典派克方程模型和时步有限元模型进行仿真求解,讨论分析非线性因素以及励磁系统的调节作用对于电机运行特性和系统响应产生的影响。结果表明,计及励磁系统的时步有限元模型能更准确地体现电机真实的运行状况。最后,实测10kW 6极反装凸极电机空载三相短路数据,和仿真结果吻合较好,证明了计算方法的正确性。

基于时步有限元分析的超高效电机定子槽形优化设计

在我国,中小型电机的定子槽形通常为梨形槽,且不同机座号的槽形尺寸已沿用了数十年。为研究有利于降低电机损耗的定子槽形尺寸,建立了基于时步有限元法的损耗计算模型,以一台5.5 kW异步电机为例,分析了槽口宽度、槽口高度、槽肩角、槽宽、槽高及槽半径等6个槽形尺寸对损耗的影响程度。结果表明,槽口宽度、槽宽和槽底半径对损耗影响较大。在槽满率基本不变,且确保电机原有起动性能的前提下,提出了基于时步有限元法的定子槽形优化设计方法,利用该方法对上述5.5 kW电机定子槽进行改进设计。经改进后,电机空载损耗降低了约7%,满载损耗降低了约2%。

异步电机空载铁耗分布的时步有限元分析

为研究基波及谐波铁耗在异步电机定转子铁心的分布特点,在计及斜槽前提下,建立了基于时步有限元的铁耗计算模型,以一台传统结构Y132S-4、5.5kW电机为实例,分析了空载运行时铁心不同位置磁密随时间变化波形,并得出铁心不同区域铁耗分布情况。结果显示:受谐波磁场影响,定转子损耗密度最大值均位于齿顶中间位置;进一步根据损耗密度计算不同区域铁耗发现,定子侧铁耗主要分布在齿部与轭部交界处、轭部以及齿身区域,这3个区域铁耗占总铁耗比例分别为32%、28%和17.5%,而损耗密度较大的齿顶区域铁耗仅占总铁耗2.5%,以往被忽略的转子侧铁耗则占总铁耗的15%且以谐波铁耗为主集中分布在齿顶区域。文中研究成果为进一步研究有利于降低铁耗的铁心新结构提供了必要的技术支持。

鼠笼异步电机起动性能的时步有限元计算

时步有限元方法是计算鼠笼异步电机暂态起动特性的一种有效方法,本文针对当前该方法在工程应用中存在的问题展开了研究。在转子转动的处理方面,通过对现有方法进行改进,得到了一种新的处理有限元运动问题的方法——边界耦合法,解决了现有方法存在的效率低、通用性不强和时间步长不确定等问题。本文还讨论了转子电路方程的建立和电磁转矩计算等方面的问题。

多相感应电机场路耦合时步有限元分析

为解决多相感应电动机在非标准正弦供电时的场路耦合分析问题,提出一种用于多相感应电动机的场路耦合运动时步有限元分析方法。考虑变频器供电时SPWM波中的高次谐波,给出控制电路与电磁场方程耦合的时步有限元分析方法,采用运动气隙边界法解决转子运动问题,与机械运动方程相结合,可对电机的瞬态过程进行仿真。应用上述模型对1台五相感应电动机及其调速系统进行分析,计算结果与样机实验结果吻合较好。将解析法、场路耦合法的计算结果与实验结果比较,表明场路耦合法能充分考虑电机齿槽效应以及铁磁材料的非线性影响,与实验结果更接近。该方法也可用于其他类型的多相电机逆变器供电的场路耦合分析。

面向系统动态分析的场路网耦合时步有限元模型

为了在分析系统扰动条件下机网相互影响问题时,能够更准确地考虑发电机的非线性,建立了适合不同网络结构、扰动类型以及不同计算任务的系统动态分析场-路-网耦合时步有限元通用性模型,进而详细推导了单机无穷大系统、两机系统以及三机系统的具体计算格式。在此基础上为使该模型适合更多的网络结构和不同任务的动态分析,引入了相应的控制变量,用于对方程本身、机网接口以及时步有限元计算参数进行控制与调整。模型与算法为深入研究动态过程机-网相互影响,并进一步获得发电机的简化模型提供了新的计算工具。

基于时步有限元的永磁同步电机稳态参数改进计算方法

永磁电机的稳态电抗是其重要参数之一。针对永磁电机相对于异步电机结构复杂、饱和严重不均匀,局部饱和严重,难以使用磁路分析的方法准确地求得电抗参数的问题,本文以22kW样机为例,研究了负载运行时交叉饱和效应以及该效应对永磁感应电动势的影响,揭示了使用常规矢量图法测试电抗参数的不足。采用时步有限元方法计算了在负载饱和条件下由永磁体激励感应的有直、交轴分量的永磁电动势,得到改进的矢量图,提出了电抗参数的改进算法。结合使用常规矢量图法的实测数据,对比常规矢量图法和改进矢量图法的计算结果,说明改进矢量图法可以克服常规矢量图不足,提高计算的准确性。

基于时步有限元的抽水蓄能电机瞬态参数计算方法的对比

为准确计算抽水蓄能电机分别运行于发电及电动工况时的瞬态参数,本文基于单元电机建立了抽水蓄能电机的场路耦合时步有限元模型。采用包络线法得到空载突然三相短路时电机的瞬态参数(简称包络线法),同时用冻结磁导率法得到空载突然三相短路时定转子绕组漏抗及电枢反应电抗,由各瞬态参数定义式得到瞬态参数(简称冻结磁导率法)。将冻结磁导率法计算值与设计值分别代入短路电流解析式中得到短路电流波形,与时步有限元仿真波形相比,冻结磁导率法计算波形与之更为接近。将这两种瞬态参数计算方法应用于实验室6极反装水轮发电机,与实验结果对比验证了两种计算方法的有效性和可行性。

自起动永磁同步电动机堵转饱和效应的时步有限元分析

电动机的堵转电流是反映其起动性能的一项重要指标,对自起动稀土永磁同步电动机的大量实测过程中发现,其三相堵转电流的幅值明显不相等,且随转子堵转位置不同发生变化。本文以现场55kW样机为例,利用时步有限元方法对不同情况下的堵转起动进行计算,通过研究磁通密度的变化与分布,分析转子磁路结构不对称及永磁体引起的饱和对堵转电流的影响,揭示了造成永磁电机三相堵转电流幅值不等的主要原因在于永磁体所引起的饱和对各相磁路作用不均衡,即"堵转饱和效应"所导致。结合现场实测数据,对比转子不同位置、永磁体不同型号下堵转电流的计算结果,说明结论的合理性。

大型发电机机网动态分析的机–场–路–网耦合时步有限元法建模

为了更完善、更准确地研究系统扰动对大型发电机及电网的影响,建立了机–场–路–网耦合时步有限元仿真模型,实现了多段集中质量块弹簧机械轴系–电机二维瞬态电磁场–外电路–电网的全面耦合。模型不仅充分考虑了动态过程中不同时刻电机内电磁场畸变、饱和、涡流集肤效应及输变电系统参数等重要因素的影响,同时还进一步详细考虑了机械轴系的动态过程,包括各轴段传递的扭矩、阻尼转矩及各轴段转速的不同变化等因素的影响。为验证所建模型,对水力发电设备国家重点实验室内的动模实验系统搭建了仿真模型,并对机组120误同期并网工况进行了仿真及实验对比分析,结果表明该机–场–路–网耦合仿真模型正确、可靠。

汽轮发电机暂态分析中计及励磁电流集肤效应的时步有限元模型

在利用场路耦合时步有限元方法对汽轮发电机暂态过程进行仿真计算时,对励磁绕组模型的考虑,往往通过列写整个回路的电路方程表示;该方法无法准确描述励磁绕组中涡流的分布及其对损耗的影响等问题;为了准确的反映电机暂态过程下励磁绕组中涡流的影响,该文先对励磁绕组中各导体单独列写方程,再利用整个回路的电压方程将其联系起来,同时施加串联约束条件;最终得出考虑串联约束条件下计及涡流分布的励磁绕组新模型及基于该模型下的场路耦合时步有限元方程。以一台300MW汽轮发电机定子三相突然短路情况为例,采用不同的励磁绕组模型进行时步有限元计算,通过对比分析励磁绕组中的电流分布与瞬时损耗等,说明该方法的合理性。

瞬态运动电磁问题的时步有限元方法研究

从处理瞬态运动电磁问题的基本方法出发,对已有的研究方法进行了总结。通过引入流体动力学中的概念,将处理电磁运动问题方法分为欧拉描述和拉格朗日描述,推导了两者之间的关系。给出了两种描述下的涡流场控制方程,指出了速度项对涡流项的影响。验证了拉格朗日描述下,转子运动后对其刚度矩阵的影响。由于欧拉描述和拉格朗日描述存在各自的缺点,采用欧拉描述和拉格朗日描述相结合的时步有限元法来处理含运动导体的涡流问题。以一台三相异步感应电机为例,分析其空载起动过程。通过计算得到定子三相电流、电磁转矩、电机转速随时间的变化关系,很好地验证了该方法在处理此类运动问题的有效性。

自起动永磁电机最小转矩的时步有限元计算

考虑到起动过程中饱和、谐波及随转速变化的挤流效应等因素对转矩曲线的影响,研究如何从瞬态转矩曲线获取最小转矩数值。首先采用场-路-运动耦合的时步有限元方法得到起动过程的瞬态转矩转速曲线,为了从所获得的转矩随时间以及随转速变化呈现出急剧波动的曲线获得最小转矩的数值,提出了新的数据处理方法,使用该方法经过一次计算即可得最小转矩数值。最后研究了不同计算条件对最小转矩的影响。本文提出的方法不仅可以用于计算永磁电机的最小转矩,也可以为最小转矩的测试提供参考。

基于励磁与调速控制的单机无穷大系统场-路-网时步有限元建模

为了能更准确地分析在整个电力系统受到干扰或出现故障时发电机与电网相互影响的动态问题,建立含有励磁调节系统和转速控制系统的场-路-网耦合时步有限元模型。该模型不但考虑了发电机磁场饱和、畸变以及趋肤效应等非线性因素对电机的影响,同时还考虑了转速的动态变化以及变压器和输电系统参数的影响,并给出了励磁调节系统和转速控制系统的实现方法。为验证模型的正确性,以一台1 407 MV·A汽轮发电机为例,采用该模型对发电机额定并网运行情况下,变压器二次侧(高压侧)A相断路器突然断开这一非全相暂态过程进行了仿真,并与传统的Park方程计算结果进行对比分析,验证了建立的场-路-网耦合时步有限元模型的正确性。

自起动稀土永磁电机断相运行时步有限元分析

为了研究自起动稀土永磁电动机断相后的运行特性,建立了断相运行的场—路—运动直接耦合时步有限元模型。以一台22 kW永磁电机为例,分析了其在30%和50%额定负载下断相前后的定子电流、转矩波动及损耗情况。计算结果表明,在负载转矩保持不变的条件下,断相后定子电流接近断相前的2倍,转矩发生大幅度波动,而总损耗分别增加32%和84%。因此,从减小损耗与转矩波动两方面考虑,自起动稀土永磁电机即使轻载工况下也应尽量避免断相运行。实测数据验证了计算结果的正确性。

与△/Y_0变压器相联的同步发电机暂态运行时步有限元仿真

结合时步有限元方法,设计了一个通过△/Y0变压器与无穷大系统及负荷相连接的同步发电机暂态运行过程的仿真程序。在该仿真程序中的发电机模型中考虑了铁心的饱和、转速的变化以及自动电压调节系统(AVR)的调节等对仿真结果的影响,并应用了麦克斯韦应力法计算电磁力矩。在仿真计算中,通过改变仿真程序中相应的参数来模拟不同线路上开关的断开、闭合过程,能方便地对同步发电机受到多种三相对称干扰后的运行过程进行有限元数字仿真。算例计算结果表明了该仿真程序的正确性。

用时步有限元法计算汽轮发电机直轴瞬态参数

本文采用时步有限元法计算了汽轮发电机定子在空载情况下三相突然短路时的瞬态电磁场，得到了定子电流随时间的变化曲线，分析了短路后定子电流的谐波分量；讨论了转子阻尼系统用不同的回路数模拟时瞬态参数的变化；并以一台600MW汽轮发电机为例，阐述了瞬态电抗和时间常数的计算方法。

中小型电机定子侧结构件对损耗影响的时步有限元分析及降耗措施

为研究定子侧扣片槽、扣片、压圈以及机座4种结构件对电机损耗的影响,建立了计及上述结构件的交流电机时步有限元完整计算模型,并针对铸铝机座模型,利用稳态有限元与截断法确定其人工外边界。利用所建立模型系统研究了以下内容:1)扣片槽对不同极数电机损耗的影响程度;2)不同电阻率材料的扣片和压圈对电机损耗的影响;3)铸铁、铸铝及铸钢机座对电机损耗的影响。进一步针对定子侧结构件提出了相应降耗措施,并以一台Y132S-4、5.5 kW异步电机为例,对比计算其采取降耗措施后的损耗变化情况,结果显示,采用降耗措施后空载损耗降低约16 W,约占额定输出功率的0.3%。研究成果可为超高效电机研制过程中如何降低定子侧结构件中的损耗提供理论与技术支持。

汽轮发电机小扰动特性及静态稳定性的时步有限元分析

为了研究阻尼绕组和磁场饱和对汽轮发电机小扰动特性及静态稳定性的影响,分别采用经典派克(Park)方程模型与时步有限元(time-stepping finite element method,T-SFEM)模型,对发电机不同工况下发生的小扰动进行仿真计算。在此基础上,结合小信号分析法与普罗尼(Prony)方法,对比分析了不同模型下发电机小扰动过程的动态特性以及系统静态稳定性等相关问题。结果表明,在不考虑阻尼绕组与磁场饱和的情况下,2种模型所得的小扰动特性基本一致,而当计及阻尼绕组或磁场饱和作用时则差别显著;采用派克方程模型计算所得的静态稳定极限功角比时步有限元模型的计算结果偏大。研究结果为系统仿真分析提供了合理参考。

确定自起动永磁电机最小转矩的时步有限元仿真实验方法

自起动永磁电机的最小转矩是评价其启动能力的一个重要指标,根据解析方法所得的光滑转矩–转速(T-s)曲线虽然可得到其具体数值,但其计算条件与实际起动过程差别很大;能够准确反映诸多实际影响因素的时步有限元计算得到的T-s曲线是急剧波动的曲线,据此难以获得最小转矩的具体数值。该文研究工作的目的在于,不对该转矩曲线进行人为处理而获得最小转矩。首先研究在什么计算条件下能得到反映出最小转矩影响的转矩曲线,揭示了在某些计算条件下可能出现的最小转矩被"淹没"的现象;进而提出用以确定最小转矩的优化加载时步有限元仿真实验方法。通过将实例计算所得转矩曲线与实测曲线对比,表明计算结果可信。