發(fā)電電動(dòng)機(jī)電動(dòng)工況不同負(fù)載狀態(tài)運(yùn)行特性的研究

1、發(fā)電電動(dòng)機(jī)電動(dòng)工況不同負(fù)載狀態(tài)運(yùn)行特性的研究(哈爾濱理工大學(xué),黑龍江哈爾濱,150080)摘 要本文以一臺(tái)250mw發(fā)電電動(dòng)機(jī)作為研究對(duì)象，根據(jù)同步電機(jī)運(yùn)行的基本原理，利用ansoft有限元分析軟 件建立電機(jī)磁場(chǎng)瞬態(tài)模型，給出邊界條件及網(wǎng)格剖分。在勵(lì)磁電流不變情況下，對(duì)不同負(fù)載狀態(tài)運(yùn)行過(guò)程逬行數(shù)值 計(jì)算。把所得各項(xiàng)電氣參數(shù)計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，并驗(yàn)證分析正確性。關(guān)鍵詞抽水蓄能；同步電機(jī)；有限元法；運(yùn)行特性中圖分類號(hào)1 tm34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼| b文章編號(hào)1000-3983(2007-0072-03study on the operation performance for pumped-s

2、torage machine working as motorwith different load conditionge baojun, lu song(harbin university of science and technology, harbin 150080, china)abstract: this paper takes a 250 mw power generation motor as the research object, according to the basic principle of synchronous motor running, and the m

3、otor transient magnetic field model is established with fem software ansoft, then the boundary conditions and mesh subdivision is also given.under the condition of constant excitation current,the transition process of different load condition were calculated, and compared with the tested one. the si

4、mulation and experimental results verify the coirectness of the analysiskey words: pumped storage; synchronous motor; fem; operation performance1引言隨著風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源大規(guī)模接入電力系統(tǒng)， 抽水蓄能電站的發(fā)展日趨突顯，同時(shí)對(duì)電力系統(tǒng)的安 全穩(wěn)定運(yùn)行肩負(fù)更加重要的作用。和常規(guī)水電站相比, 抽水蓄能電站的發(fā)電電動(dòng)機(jī)具有雙向旋轉(zhuǎn)、工況轉(zhuǎn)換 頻繁、過(guò)渡過(guò)程及邊界條件復(fù)雜等特點(diǎn)。而發(fā)電電動(dòng) 機(jī)在整個(gè)電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行中起著重要的作用。研究發(fā)電電動(dòng)機(jī)抽水工況

5、過(guò)渡過(guò)程的特性、各電 氣參量的變化規(guī)律，對(duì)跟蹤電網(wǎng)無(wú)功輸送、改變電網(wǎng) 功率因數(shù)、抽水蓄能電站的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行起著極重 要的作用。對(duì)提高電站及機(jī)組設(shè)計(jì)水平、高效運(yùn)行有 著十分重要的意義。本文以一臺(tái)250mw同步電動(dòng)機(jī)作為研究對(duì)象， 根據(jù)同步電動(dòng)機(jī)的基本原理和交流電機(jī)過(guò)渡過(guò)程的基 本理論利用ansoft軟件中的maxwell 2d建立二維仿真 模型。采用時(shí)步有限元法在保持電機(jī)的額定勵(lì)磁電流 不變情況下進(jìn)行減負(fù)載仿真計(jì)算，研究其定子電流， 功角，功率因數(shù)，有功功率，無(wú)功功率等變化特性。2數(shù)學(xué)模型的建立瞬態(tài)求解過(guò)程中負(fù)載變化的運(yùn)行特性分析需要得 到比較精確的計(jì)算。為了確定被求解區(qū)域磁場(chǎng)的微分 方程和邊

6、界條件，分析時(shí)做如下假設(shè)卩(1) 不考慮端部效應(yīng)，定子鐵心中渦流和磁滯損耗 忽略不計(jì)；(2) 假設(shè)電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)為似穩(wěn)場(chǎng)，忽略位移電流；(3) 假設(shè)在整個(gè)過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)；(4) 相對(duì)于磁極極距的尺寸來(lái)說(shuō)，氣隙很小并且是 均勻的，因此其磁感應(yīng)強(qiáng)度一般只考慮徑向分量，且 認(rèn)為沿電機(jī)的軸向是不變的，采用二維場(chǎng)模擬磁場(chǎng)分 布。以一臺(tái)250mw發(fā)電電動(dòng)機(jī)作為樣機(jī)進(jìn)行研究，該電機(jī)為整數(shù)槽的凸極同步電機(jī)，考慮各極下的結(jié)構(gòu) 圖形相同，電機(jī)極數(shù)較多，且結(jié)構(gòu)尺寸比較大，為了 減小計(jì)算量，提高求解效率，本文僅取電機(jī)一對(duì)極作 為求解域進(jìn)行計(jì)算。電機(jī)主要參數(shù)如表1所示。電氣參數(shù)數(shù)值電氣參數(shù)數(shù)值額定視在功率(

7、kva)286380定子內(nèi)徑(mm)7500額定輸出功率(kw)277150定子外徑(mm)8500額定電壓(v)15750勵(lì)磁繞組匝數(shù)29額定電流(a)10497.9額定轉(zhuǎn)速(r/min)250功率因數(shù)0.98極對(duì)數(shù)12額定勵(lì)磁電流(a)16()0定子槽數(shù)360表1發(fā)電電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)發(fā)電電動(dòng)機(jī)求解域如圖1所示。建立仿真模型時(shí) 需要特特殊說(shuō)明的是，此電機(jī)極靴圓弧為三段圓弧式 結(jié)構(gòu)，兩側(cè)圓弧所在圓是中間圓弧所在圓的內(nèi)切圓。 建模過(guò)程中為使模型更準(zhǔn)確，需采用圓心定位法求其 圓心，使用此法可縮小模型誤差，使計(jì)算更加精確。圖1 一對(duì)極下發(fā)電電動(dòng)機(jī)模型結(jié)構(gòu)圖求解區(qū)域如上所示，在上述假設(shè)條件下用矢量磁 位

8、力表述的瞬態(tài)電磁場(chǎng)邊值問(wèn)題為8 ad a da. r()4-() = -jvdx ju dx dy> pi dy()|ab=0|cd=0其中“為磁導(dǎo)率，丿,為源電流密度；3抽水工況計(jì)算分析3.1抽水工況下額定負(fù)載的計(jì)算發(fā)電電動(dòng)機(jī)在正常電動(dòng)抽水工況時(shí)，作為電網(wǎng)負(fù) 載吸收電能，直接由電網(wǎng)供電，定子繞組電流為三相 正弦對(duì)稱電流。利用ansoft瞬態(tài)仿真，計(jì)算電動(dòng)機(jī)在 額定負(fù)載狀態(tài)下的電氣參量及曲線圖。為便于進(jìn)行數(shù) 據(jù)比較分析，截取電機(jī)穩(wěn)定后的一個(gè)周期4.495s到 4.515s時(shí)定子a相電流及輸入a相電壓，如圖2所示。經(jīng)計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比可知，計(jì)算值大小在 電流，有功功率，功率因數(shù)上與實(shí)驗(yàn)值很

9、接近，均在 誤差范圍內(nèi)，符合實(shí)驗(yàn)要求。10000 005000 000 005000 0012.86:5 00 卜0 00>10000.00-15000 00:-10 00映00mx1j4.5000圖2 個(gè)周期定子a相電流電壓波形圖由圖可知，/0= 10503.05a , zmax=14571.84a , )=6.8lkv ,max=12.86kvo 經(jīng)計(jì)算可得到 cos牛().97 , 廬 14.15° ,乩=45.19° , =31.04°o為了證明模型建立的正確性，將計(jì)算所得的數(shù)值 與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，如表2所示：表2定子a相電流計(jì)算值實(shí)驗(yàn)值對(duì)比電氣呈計(jì)

10、算值實(shí)驗(yàn)值誤差定子電流(a)14571.8414526.730.311%輸入功率(kv)272569.79272160.000.151%無(wú)功功率(kvar)68685.8449532.43&67%功率因數(shù)0.970.981.02%3.2不同負(fù)載狀態(tài)的計(jì)算與對(duì)比分析為了能夠直觀了解負(fù)載轉(zhuǎn)矩在不同變化值時(shí)電機(jī) 功率因數(shù)，電磁功率，功角等變化情況，保持額定勵(lì) 磁電流不變，在轉(zhuǎn)軸上分別輸入t , 0.97,0.87,0.7t, 0.67,0.57,0.4t , 0.3t , 0.2t進(jìn)行仿真計(jì)算,將得到 各個(gè)電氣參量編輯并得到如下曲線。圖3為負(fù)載轉(zhuǎn)矩 與內(nèi)功率因數(shù)角、功率因數(shù)角和功角的變化關(guān)系

11、，圖4 則是負(fù)載轉(zhuǎn)矩與功率因數(shù)之間變化關(guān)系圖圖4負(fù)載轉(zhuǎn)矩與功率因數(shù)關(guān)系80.0070.0060.0050.00thi(ff 400030.0020.0010.000.00f-剳鼻乞ft*圖6功率因數(shù)與電磁功率關(guān)系員賞斥逅（h2圖3負(fù)載轉(zhuǎn)矩與內(nèi)功率因數(shù)角、功率因數(shù)角、功角關(guān)系從圖可以看出，隨著轉(zhuǎn)軸上負(fù)載轉(zhuǎn)矩的減小，功 角逐漸減小，且減小趨勢(shì)略呈線性趨勢(shì)。內(nèi)功率因數(shù) 角和功率因數(shù)角逐漸增大，隨著轉(zhuǎn)軸上負(fù)載轉(zhuǎn)矩的減 小，則功率因數(shù)逐漸減小。1.201.00 .由圖5可知，負(fù)載轉(zhuǎn)矩的下降，輸入功率隨之下 降，在不計(jì)繞組銅耗的情況下，其電磁功率也隨之下 降，由圖6可知，功率因數(shù)隨著電磁功率減小而減小。8

12、06040ft欽鑄擔(dān)“if-天詁胸春i圖7負(fù)載轉(zhuǎn)矩與無(wú)功功率關(guān)系圖2上ss0.00電機(jī)額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)為超前功率因數(shù)，相當(dāng)于電 網(wǎng)的阻容性負(fù)載。減小電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載，由慣性轉(zhuǎn) 子首先將加速，功角將變小，電磁轉(zhuǎn)矩隨之減小。 由電動(dòng)機(jī)運(yùn)行向量圖可知，勵(lì)磁電流沒(méi)變，故感應(yīng)電 動(dòng)勢(shì)不變。功角減小，功率因數(shù)角增大，則變?yōu)楦?超前。300000 00250000.00i圖5負(fù)載轉(zhuǎn)矩與輸入功率關(guān)系圖§mcy 養(yǎng)由圖7知，隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩的減小，電機(jī)的無(wú)功功 率隨之增大，則從電網(wǎng)輸入的容性無(wú)功功率增大，或 向電網(wǎng)輸送的感性無(wú)功功率增大，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電網(wǎng) 功率因數(shù)、與電網(wǎng)對(duì)無(wú)功需求跟蹤目的。4結(jié)論本文利用

13、給出的250mw同步電動(dòng)機(jī)計(jì)算抽水工 況在額定負(fù)載下定子電流，輸入電壓，功率因數(shù)，無(wú) 功功率等電氣參數(shù)值，經(jīng)過(guò)對(duì)比計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值基本 達(dá)到吻合一致。然后保持額定勵(lì)磁電流不變、通過(guò)改 變負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算不同負(fù)載狀態(tài)下電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)。將 得到的各種靜態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖示化對(duì)比分析，驗(yàn)證分析 的正確性。為電站能夠與電網(wǎng)對(duì)無(wú)功需求進(jìn)行有效跟 蹤提供了重要依據(jù)。負(fù)載轉(zhuǎn)矩減小，不考慮繞組銅耗及損耗不變的情 況下，電磁功率將減小，有功輸入隨之減小，無(wú)功功 率將增大。若電網(wǎng)需要感性無(wú)功，可通過(guò)降低負(fù)載轉(zhuǎn) 矩的方式調(diào)節(jié)電網(wǎng)的功率因數(shù)。反之電網(wǎng)需要容性無(wú) 功則可適當(dāng)增加負(fù)載轉(zhuǎn)矩來(lái)調(diào)節(jié)。參考文獻(xiàn)111李官軍，楊波，陶以彬，等

14、抽水蓄能機(jī)組靜止變頻器起動(dòng)控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真j.電機(jī)與控制 應(yīng)用，2011 , 38(1) : 52-59 .2 趙政.抽水蓄能電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)的過(guò)渡過(guò)程c. 抽水蓄能電站工程建設(shè)文集2013 , 203-209.3 戈寶軍，等.靜止變頻器起動(dòng)抽水蓄能電機(jī)初始導(dǎo) 通方案j,電工技術(shù)學(xué)報(bào),201328(11) : 147-154 .4 戈寶軍，于涌源，張淑森.具有三段圓弧極靴結(jié) 構(gòu)的大型凸極同步電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的分析與計(jì)算 j.大電機(jī)技術(shù),1998 , (1) : 21-26 .梁艷萍，周封用時(shí)步有限元計(jì)算汽輪發(fā)電機(jī)直軸 瞬態(tài)參數(shù)j.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)j998 ,2(02) : 69-74 . 陶大軍，等.發(fā)電電動(dòng)機(jī)sfc起動(dòng)強(qiáng)迫換流過(guò)程 磁場(chǎng)特性.電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2014 ,18(01) :26-32 .7 ho seon ryu, et al. a study of synchronous motor drive using static frequency convertercl. 12th international co