同步发电机不对称运行工况阻尼绕组电流的计算_戈宝军

DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2013.27.019
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第 33 卷 第 27 期 2013 年 9 月 25 日
中
国 电 机 工 程 学 Proceedings of the CSEE 中图分类号：TM 312
报
Vol.33 No.27 Sep.25, 2013 ©2013 Chin.Soc.for Elec.Eng. 学科分类号：47040
equipped with the damper winding. The accuracy of the calculated the damper windings currents will affect the generator's performance directly. Especially when generator operates in asymmetric conditions, the currents induced by the negative magnetic field will influent the generator's performance greatly. Therefore, to calculate the currents of the damper windings accurately gets really necessary while studying the asymmetric performance of the generator. The field-circuit coupled method is applied in the paper to calculate the damper winding currents as the generator operates in asymmetric conditions. By building the mathematical model of the damper winding' send, the effect from the nonlinear magnetic field at the end of the rotor is considered in the paper. Meantime the damper winding currents are also calculated through the conventional process which deal the magnetic field at the end of the damper winding with analytical method. And then, the calculated results from the both methods mentioned above are compared with the results acquired from the test, in which the instantaneous value of the damper bars currents can be measured directly. The comparison shows that the method applied in the paper is more accurate when calculating the damper winding currents when the magnetic field at the end of the rotor saturates extremely. KEY WORDS: synchronous generator; asymmetric operation; damper current; end leakage reactance of the damper winding; field-circuit coupled method
基金项目 ：国家重点基础研究发展计划项目 (973 计划 ) (2012CB 724402)。 The National Basic Research Program (973 Program) (2012CB 724402).
0 引言
发电机在运行中不可避免的会存在某种不对 称状态，此时定子电流中含有一定的负序分量会产 生负序磁场。负序磁场相对转子以 2 倍于基波的角 速度沿转子转速相反方向旋转，在阻尼条内产生感 应电流。进而造成转子附加损耗增大、局部温升过 高、电磁转矩波动增大等一系列问题。如何准确地 计算发电机在负序磁场影响下的阻尼绕组电流就 显得至关重要。阻尼绕组电流的计算会对整个发电 机的运行性能产生直接的影响[1]。 关于阻尼绕组电流的研究有很多。 早在 1958 年 与 1975 年发表的文献[2-3]中， 就介绍了如何利用交、 直轴等效电路来计算阻尼条电流。文献[4]阐述了如
文中的试验电机在阻尼条内埋置无线电流传感电流的实时数据。通过直接测量所得的数据 能够更直观更准确的对本文计算结果进行验证。
1 电机数学模型
1.1 阻尼绕组端部数学模型 本文利用 3D 有限元的方法对电机阻尼绕组端 部电磁场进行求解，建立一个单元电机的阻尼绕组 端部模型如图 1 所示。图 2 所示为该模型在图 1 中 面 OAB 上的电机端部磁极压板结构及其阻尼条编 号示意，视角为沿 z 轴正方向。该电机端部模型主 要结构数据如表 1 所示。 和电流密度向量 J 作为变量。 以矢量磁位 A 三 都包含 3 个方向的分量。 为 维恒定磁场内的 A 和 J 简化计算，采用圆柱坐标系。根据三维恒定磁场的 基本理论，该有限元模型满足如下关系[16]： 1 Ar 1 1 Ar 1 J r r ( r ) r ( r ) r 2 Ar 1 Ar 1 1 Ar 2 A ( ) ( ) 2 2 z z r r 1 A 1 1 A 1 ) ( ) 2 A J ( r r r r r A A 1 1 1 2 Ar ( ) ( ) 2 2 z z r r 1 Az 1 1 Az ) ( ) J z ( r r r r 1 Az 1 1 Az ) ( ) ( 2 z z r A 0 A Ar ABBA 0 r OAB A A OO BB OOAA Ar Ar 0 S S Az 0 z Sfe 极压板部分(包括极靴压板与极身压板)。 定义每相邻 2 根阻尼条构成 1 个阻尼绕组回 路。在计算第 i 个回路的端部漏感时，面 OAB 与各 阻尼条交界面处施加边界条件：
文章编号：0258-8013 (2013) 27-0154-07
文献标志码：A
同步发电机不对称运行工况阻尼绕组电流的计算
戈宝军 1，李明哲 1，孙玉田 2，李金香 2，胡丽杰 2
(1．哈尔滨理工大学电气学院，黑龙江省 哈尔滨市 150080； 2．哈尔滨大电机研究所，黑龙江省 哈尔滨市 150060)
第 27 期
戈宝军等：同步发电机不对称运行工况阻尼绕组电流的计算
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何通过试验测量的手段来获得一台汽轮发电机阻尼 绕组电流。文献[5]也描述了如何通过试验来获得一 台凸极同步电机阻尼条电流的方法。文献[6-9]中都 分别介绍了利用傅立叶级数建立磁导模型的方法计 算了不同频率谐波影响下的阻尼绕组电流。 文献[10] 将解析法与数值分析法相结合，计算了并网同步电 机和外接逆变器的同步电机的阻尼条电流。 文献[11] 计算了转子不平衡工况时的阻尼电流， 文献[12]在此 基础上加入了阻尼电流对定子绕组电压波形的影 响。 文献[13]则分析了变频器驱动电机里的阻尼绕组 电流。 文献[14]利用一套耦合电路对阻尼电流进行了 研究。 文献[15]利用有限元的方法分析了由于次谐波 而造成的阻尼绕组电流。 以上研究主要是从谐波对阻尼绕组的影响这一 角度来入手研究阻尼绕组电流的问题，也有人研究 了转子不平衡工况时的阻尼绕组电流的计算问题。 本文则针对发电机定子电枢绕组负载不对称时的阻 尼绕组电流计算进行研究。对于传统结构大型同步 发电机的一般工况来说，由于阻尼绕组端部磁场饱 和程度并不严重，且端部磁场对整个阻尼绕组回路 电流的影响也不大，因此在以往人们计算阻尼绕组 电流时，要么假定转子端部磁场为线性，忽略饱和 的影响，要么利用经验系数对阻尼绕组端部磁场饱 和的影响进行一定的修正。但当电机电枢绕组出现 极端不对称工况，电机内磁场饱和比较严重的时候， 或者当发电机的转子结构较为特殊，阻尼绕组回路 电流受端部磁场饱和的影响较为严重的时候，若采 用以往人们对阻尼绕组端部的简化处理方式则会给 阻尼绕组电流的计算带来很大的误差。因此在分析 这种特殊情况时，就需要详尽考虑阻尼绕组端部磁 场的非线性对阻尼绕组电流所带来的影响。 本文利用 3D 有限元方法建立了发电机阻尼绕 组端部的数学模型，计算了阻尼绕组端部的非线性 磁场对阻尼绕组端部漏抗的影响。并在此基础上通 过场路耦合的方法，计算了发电机在不对称运行极 端工况下的阻尼绕组电流。利用一台转子端部特殊 结构的试验样机，对本文的计算结果进行了验证。 由于在电机运行时，阻尼绕组和转子一起转动 而很难直接测量得到阻尼绕组电流。因此在以往的 研究中，通常利用间接测量的方法，通过测量电机 的其它参数来间接对阻尼绕组电流的计算进行验 证。这种间接测量法虽然能够在一定程度上验证阻 尼绕组电流计算的结果，但却存在一定的局限性。 为了能够直接获得电机运行时的阻尼绕组电流，本
Calculation of Damper Winding Current for Synchronous Generators Under Asymmetric Conditions
GE Baojun1, LI Mingzhe1, SUN Yutian2, LI Jinxiang2, HU Lijie2
(1. School of Electrical and Electronic Engineering, Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080, Heilongjiang Province, China; 2. Harbin Institute of Large Machinery Research, Harbin 150060, Heilongjiang Province, China) ABSTRACT: Nowadays hydro-generators are usually 摘要： 现代水轮发电机都装设阻尼绕组， 阻尼绕组电流计算 的准确程度会直接影响到发电机运行性能的研究。 尤其在发 电机不对称运行时， 阻尼绕组受负序磁场所感生的电流会对 发电机的运行性能产生很大的影响。 因此在研究发电机不对 称运行工况时，如何准确计算阻尼绕组电流就显得尤为重 要。 该文利用场路耦合法计算了同步发电机在极端不对称运 行工况下的阻尼绕组电流。通过建立阻尼绕组端部数学模 型， 考虑了端部磁场非线性对阻尼绕组电流的计算结果所带 来的影响。 同时也利用传统对端部磁场的处理方法计算了同 步发电机不对称运行时的阻尼绕组电流。 利用 1 台可以直接 测量阻尼绕组电流实时值的试验样机对 2 种方法的计算结 果分别进行了验证。 结果表明， 当发电机端部磁场饱和比较 严重时， 例如发电机极端不对称运行工况， 该文的计算方法 更适用于阻尼绕组电流的计算。 关键词：同步发电机；不对称运行；阻尼绕组电流；阻尼绕 组端部漏抗；场路耦合