朱二夯 黃浩 邊旭 梁艷萍

摘要：針對工作在特高壓大直流環(huán)境下的大型同步調(diào)相機運行時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300Mvar同步調(diào)相機為例，建立了調(diào)相機端部區(qū)域三維暫態(tài)電磁場計算模型。然后，采用數(shù)值模擬方法計算了同步調(diào)相機端部磁場及性能參數(shù)，得到了調(diào)相機端部及結(jié)構(gòu)件的磁密、渦流電密、損耗的分布規(guī)律。對比分析了同步調(diào)相機額定運行工況下采用傳統(tǒng)銅屏蔽和新型銅屏蔽結(jié)構(gòu)時電機端部結(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，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%，充分驗證了新型銅屏蔽結(jié)構(gòu)的有效性，為大型電機定子端部結(jié)構(gòu)件的設(shè)計提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：同步調(diào)相機;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：TM 342文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1007-449X（2019）10-0033-08

0引言

為了應(yīng)對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)相機再一次被重視起來。大型同步調(diào)相機中的壓圈能夠很好的壓緊定子鐵心，防止定子鐵心因松動引起片間絕緣損壞。大型同步調(diào)相機容量大，端部漏磁場強，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。

由于大型電機端部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和重要性，端部磁場、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。文獻采用2維有限元法計算了水輪發(fā)電機端部磁場。文獻采用準(zhǔn)三維有限元法計算了汽輪發(fā)電機端部結(jié)構(gòu)件的渦流損耗。采用2維或準(zhǔn)3維的計算方法不能準(zhǔn)確反映真實的3維實體模型。文獻采用三維有限元法求解了端蓋和機殼的渦流損耗，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。文獻采用三維有限元法分析了大型充水式潛水電機端部壓圈渦流損耗分布和壓圈結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對渦流損耗的影響，討論了端部結(jié)構(gòu)件參數(shù)變化對渦流損耗的影響，也未考慮轉(zhuǎn)子護環(huán)等結(jié)構(gòu)件的渦流損耗。文獻采用二維和三維有限元混合方式計算了永磁同步電機永磁體的渦流損耗，分析了網(wǎng)格密度對計算結(jié)果的影響。文獻采用有限元法計算了大型電機壓板的磁通密度和渦流損耗密度，并分析了大型電機模型仿真計算準(zhǔn)確性的影響因素。文獻采用三維有限元法分析了大型水輪電機定子端部結(jié)構(gòu)件渦流損耗，并通過對壓板結(jié)構(gòu)進行徑向切割來減小總壓板的渦流損耗。文獻采用三維有限元法分析了壓板結(jié)構(gòu)對大型發(fā)電機端部磁場和渦流損耗的影響，詳細討論了壓板的材料和尺寸對壓板渦流損耗的影響。文獻通過對雙屏蔽感應(yīng)電機端部結(jié)構(gòu)件進行軸向切割和添加絕緣來減小壓板渦流損耗。文獻通過改變大型水輪發(fā)電機壓板形狀來減小端部結(jié)構(gòu)件渦流損耗。所述文獻為電機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)相機定子端部壓圈渦流損耗。以一臺300Mvar同步調(diào)相機為例，采用數(shù)值模擬方法計算了同步調(diào)相機端部磁場。在額定運行工況下，對同步調(diào)相機端部分別采用傳統(tǒng)銅屏蔽和新型銅屏蔽兩種結(jié)構(gòu)時端部結(jié)構(gòu)件的磁場和渦流損耗進行了詳細的分析比較。為大型電機定子端部結(jié)構(gòu)件的設(shè)計提供了理論依據(jù)。

1端部計算模型

1.1物理模型

300Mvar同步調(diào)相機如圖1所示。大型同步調(diào)相機端部結(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、護環(huán)等多種結(jié)構(gòu)件。同步調(diào)相機端部區(qū)域示意圖如圖2所示。同步調(diào)相機額定參數(shù)見表1。

在額定運行工況下，同步調(diào)相機轉(zhuǎn)子阻尼繞組和槽楔電流都非常小，可忽略不計。同步調(diào)相機模型中將每段定子鐵心作為一個整體，避免了對每個鐵心疊片進行細致刦分時引起的計算困難。經(jīng)以上簡化，同步調(diào)相機端部磁場數(shù)值計算的物理模型如圖3所示，S₁-S₂為同步調(diào)相機的物理模型邊界。調(diào)相機端部模型使用仿真軟件進行三維有限元計算，采用一階四面體單元對求解區(qū)域進行網(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為是完整的電接觸。

通過數(shù)值模擬方法對同步調(diào)相機端部磁場進行仿真計算。將定子鐵心、定子端部繞組、磁屏蔽、轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子勵磁繞組和空氣作為非渦流區(qū)，其他區(qū)域作為渦流區(qū)進行計算。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作為端部磁場的未知量。大型同步調(diào)相機端部磁場的控制方程、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端部磁場分析

在同步調(diào)相機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)相機在運行時產(chǎn)生的渦流非常小，可忽略不計。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。以額定運行工況為例研究同步調(diào)相機定子端部磁場和渦流損耗。

同步調(diào)相機端部區(qū)域磁場分布如圖4所示。從圖4中可以看出端部漏磁場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。銅屏蔽延長了端部漏磁場進入定子端部區(qū)域的路徑，削弱了定子鐵心、端部壓圈和壓指中的漏磁場。在區(qū)域1中，端部漏磁場直接穿過壓圈并在壓圈中產(chǎn)生了渦流和渦流損耗。