云南华电金沙江中游水电开发有限公司梨园发电分公司 云南 丽江 674100
摘 要：针对抽水蓄能电站核心设备发电电动机运行复杂，工况转换频繁，而内部磁场分布不断变化导致电机内部电磁力的变化的情况，研究在不同工况，主要是发电机工况和电动机工况下，电机内部磁场变化对电机内部电磁力影响的具体表现形式，为分析电机受力情况和结构优化设计提供理论依据。根据某实际运行发电电动机，建立二维有限元仿真模型，采用场路耦合的加载方式，分析求解发电机工况和电动机工况下的磁场分布及电磁力大小。结果表明，电动机工况相比于发电机工况，铁心内部磁通密度要大一些，而电磁力也大一些，且方向相反。
关键词：抽水蓄能；发电电动机；有限元；场路耦合；磁场分布
1 引言
抽水蓄能电站作为一种特殊的电源，由于具有工况转换多、运行方式灵活、反应速度快等优点，近年来在国内得到了相当规模的发展。作为抽水蓄能电站核心设备的抽水蓄能发电电动机组，无论设计条件还是结构形式都比常规水轮发电机组复杂的多[1]。
作为抽水蓄能电站的核心设备，发电电动机具有以下特点[1]：
1）机组启停和工况转换频繁，一般每天至少启停2次，且转换时间需要十几分钟；
2）发电电动机需按双向旋转设计，相序转换复杂，对绕组和各部件结构强度要求高；
3）发电机工况和电动机工况额定容量不同，导致所需建立的旋转磁场电磁功率不同，磁通密度不同。
正是发电电动机具有的上述特点，决定了它比常规水轮发电机和常用电动机复杂得多，特别的分析发电电动机不同工况下的运行状态，内部磁场分布，关键部件所受电磁力等就相应的会变得复杂，同时这也为发电电动机温度场和综合受力分析提供前提，工程上具有显著地现实意义。
2 有限元法和场路耦合方法
有限元法是工程分析中广泛应用的数值计算方法，由于它的通用性和有效性，受到工程技术界的高度重视[2-3]。且随着计算机硬件技术的飞速发展，由有限元法衍生出的各种大型计算软件也是层出不穷，很多商业软件都能处理大型复杂的模型，求解速度不断提高，且能求解出较为精确的结果，从而指导工程实际应用。常用的有限元软件有NASTRAN、ADINA 、ANSYS、ABAQUS、MARC等。
有限元法不仅能够很好地处理单一场问题，比如电磁场，温度场，流体场等，而且能够耦合不同的场，例如电磁场计算中涉及到功率损耗，从而引起温升，转到温度场的计算中。
有限元法一般的求解步骤如图1：
图1 有限元求解过程
场路耦合是有限元法中衍生出的一种成熟的计算方法，通常情况下为了解决分析对象在激励加载过程中的非恒定电流问题，需要通过建立外电路的方式，将电路和有限元区域结合，联立求解方程组。
本文采用有限元部分与外电路直接耦合的方法，建立发电电动机的场路耦合模型，通过定子侧绕组直接加电压的方式，对发电电动机进行瞬态非线性有限元计算。在场计算中将矢量磁位与电流作为求解量，得到定子绕组电流、磁场分布和气隙磁密。分析对比发电机工况和电动机工况转子所受电磁力及电磁转矩的不同之处，得出结论，为其优化设计提供参考[4-5]。
电动机状态下的场路耦合基本原理如图2所示：
图2 电动机工况场路耦合原理示意图
在正弦供电情况下，记及铁磁材料的非线性 B-H曲线，会形成非线性有限元方程组一般采用牛顿-拉夫逊方法进行迭代求解[6]。
3 发电电动机实例仿真
3.1 计算模型
运用上述方法，本文以一台抽水蓄能发电电动机为例进行场路耦合非线性正弦瞬态场分析，发电电动机的基本参数如表1所示，根据结构参数建立电机二维有限元全模型如图3所示，1/6周期性模型如图4所示，建立周期性模型是为简化计算，缩短计算时间，同时不会影响计算结果。
表1 发电电动机基本参数
图4 发电电动机1/6周期性模型
定子绕组侧分双层波绕组，采用铜材料星形接线，并联支路数为4，每16个线圈构成一相的一条支路，共分三相，每相绕组接线方式相同。励磁绕组采用铜导线，每根分32匝。考虑铁芯材料的非线性，采用型号为M250-50的硅钢片。运用牛顿-拉夫逊发进行迭代求解。
3.2 计算结果
图5a和图5b分别为电动机工况和发电机工况，通过有限元仿真软件计算得到的矢量磁位A 的分布，从图中可以看出，电动机工况下的实力线分布要比发电机工况下的分布紧密些，这也说明电动机工况下形成的内部磁场强度要比发电机工况下形成的内部磁场强度大。
图5b发电机工况矢量磁位A分布
为了进一步说明电动机工况下的磁场强度大于发电机工况下的磁场强度，通过软件计算求取了内部磁感应强度 的分布云图，如图6a和图6b，从图中可以看出电动机工况下磁感应强度值要略大于发电机工况下的磁感应强度。电动机工况的磁感应强度最大值为1.87T，而发电机工况下的磁感应强度为1.8T。
通常电机径向气隙磁密的大小可以判定计算结果正确与否，实际运行电机的径向气隙磁密有效值通常在1T附近，求取两种工况下的气隙磁密并作对比，如图7。
图7两种工况径向气隙磁密
从图7可以看出两种工况下径向气隙磁密的峰值均小于1.3T，有效值均略小于1T，而气隙磁密为非正弦波，是因为场路耦合中计算时带了电阻，再电机作d-q分解时，出现d轴和q轴中间有分量，导致出现偏移，而气隙磁场的旋转方向不同，偏移方向不同。实际运行中多为感性负载，即可认为负载电抗值远大于电阻值，纯电感和纯电容负载对气隙磁场分别起到增磁和去磁作用，气隙磁密波形也会接近正弦波。
从图8中可以看出，电动机工况下的齿槽转矩要略高于发电机工况下的齿槽转矩，这与计算得到的情况基本符合，图中负号代表着转矩的方向。电动机工况为拖动转矩，而发电机工况为制动转矩。这一情况也可以通过图9转子所受电磁力进一步说明。
图9两种工况转子所受电磁力对比
电磁力方向与电磁转矩方向正好相反，电动机工况，转子外接水泵为负载性质，产生制动转矩，而发电机工况转子外接原动机，输入有功，产生拖动转矩。所以他们所受电磁力大小的关系与电磁转矩的关系相反。
4 结论
对发电电动机不同工况下的瞬态分析，可以对比内部磁场的不同之处，在此基础上可以分析电机的温升和综合受力情况，研究电机疲劳寿命，进而为电机结构优化提供参考。
参考文献
[1]徐立佳. 抽水蓄能电站发电电动机的特点及选型设计分析[J].水力发电，2010(07):60-62.
[2]鲁建霞，苟慧芳. 有限元法的基本思想与发展过程[J].机械管理开发，2009(02):74-75.
[3]Bathe K J and Wilson E. Numerical Methods in finite Element Analysis[M]. Prentice-Hall, Inc,1976.
[4]孙梦云，张宇娇，袁兆强等.感应电机的直接场路耦合有限元计算方法[J].大电机技术，2013(02):5-8.
[5]孙宇光，王祥珩，桂林，王维俭.场路耦合法计算同步发电机定子绕组内部故障的暂态过程[J]. 中国电机工程学报，2004(01):136-141.
[6]周剑明. 异步电机场路耦合数值模拟方法[J]. 大电机技术，1995(2):28-23.
[7]张宇娇. 基于有限元法的多相同步发电机空载特性分析及额定励磁电流计算[J]. 大电机技术，2012(1):13-18.
[8]毕大强. 双层转子感应电动机直接场路耦合数值模拟法[J]. 沈阳工业大学学报，1999,21(2):140-142.
[9]王伟华，王红宇. 抽水蓄能电机稳态电抗的有限元计算及影响因素分析[J]. 大电机技术，2013,(6):11-15.
论文作者:王栋才
论文发表刊物:《科技新时代》2018年10期
论文发表时间:2018/12/6
标签：工况论文; 电动机论文; 发电机论文; 有限元论文; 转矩论文; 电机论文; 电磁论文; 《科技新时代》2018年10期论文;