發(fā)電電動機電動工況不同負載狀態(tài)運行特性的研究

1、發(fā)電電動機電動工況不同負載狀態(tài)運行特性的研究(哈爾濱理工大學(xué),黑龍江哈爾濱,150080)摘 要本文以一臺250mw發(fā)電電動機作為研究對象，根據(jù)同步電機運行的基本原理，利用ansoft有限元分析軟 件建立電機磁場瞬態(tài)模型，給出邊界條件及網(wǎng)格剖分。在勵磁電流不變情況下，對不同負載狀態(tài)運行過程逬行數(shù)值 計算。把所得各項電氣參數(shù)計算值與實驗數(shù)據(jù)進行比較分析，并驗證分析正確性。關(guān)鍵詞抽水蓄能；同步電機；有限元法；運行特性中圖分類號1 tm34文獻標識碼| b文章編號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，同時對電力系統(tǒng)的安 全穩(wěn)定運行肩負更加重要的作用。和常規(guī)水電站相比, 抽水蓄能電站的發(fā)電電動機具有雙向旋轉(zhuǎn)、工況轉(zhuǎn)換 頻繁、過渡過程及邊界條件復(fù)雜等特點。而發(fā)電電動 機在整個電站的安全穩(wěn)定運行中起著重要的作用。研究發(fā)電電動機抽水工況

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

6、界條件，分析時做如下假設(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；(2) 假設(shè)電機內(nèi)部磁場為似穩(wěn)場，忽略位移電流；(3) 假設(shè)在整個過程中，電動機以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)；(4) 相對于磁極極距的尺寸來說，氣隙很小并且是 均勻的，因此其磁感應(yīng)強度一般只考慮徑向分量，且 認為沿電機的軸向是不變的，采用二維場模擬磁場分 布。以一臺250mw發(fā)電電動機作為樣機進行研究，該電機為整數(shù)槽的凸極同步電機，考慮各極下的結(jié)構(gòu) 圖形相同，電機極數(shù)較多，且結(jié)構(gòu)尺寸比較大，為了 減小計算量，提高求解效率，本文僅取電機一對極作 為求解域進行計算。電機主要參數(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極對數(shù)12額定勵磁電流(a)16()0定子槽數(shù)360表1發(fā)電電動機主要參數(shù)發(fā)電電動機求解域如圖1所示。建立仿真模型時 需要特特殊說明的是，此電機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。 建模過程中為使模型更準確，需采用圓心定位法求其 圓心，使用此法可縮小模型誤差，使計算更加精確。圖1 一對極下發(fā)電電動機模型結(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)電磁場邊值問題為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抽水工況計算分析3.1抽水工況下額定負載的計算發(fā)電電動機在正常電動抽水工況時，作為電網(wǎng)負 載吸收電能，直接由電網(wǎng)供電，定子繞組電流為三相 正弦對稱電流。利用ansoft瞬態(tài)仿真，計算電動機在 額定負載狀態(tài)下的電氣參量及曲線圖。為便于進行數(shù) 據(jù)比較分析，截取電機穩(wěn)定后的一個周期4.495s到 4.515s時定子a相電流及輸入a相電壓，如圖2所示。經(jīng)計算值與實驗值對比可知，計算值大小在 電流，有功功率，功率因數(shù)上與實驗值很

9、接近，均在 誤差范圍內(nèi)，符合實驗要求。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，將計算所得的數(shù)值 與實驗值進行對比，如表2所示：表2定子a相電流計算值實驗值對比電氣呈計

10、算值實驗值誤差定子電流(a)14571.8414526.730.311%輸入功率(kv)272569.79272160.000.151%無功功率(kvar)68685.8449532.43&67%功率因數(shù)0.970.981.02%3.2不同負載狀態(tài)的計算與對比分析為了能夠直觀了解負載轉(zhuǎn)矩在不同變化值時電機 功率因數(shù)，電磁功率，功角等變化情況，保持額定勵 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進行仿真計算,將得到 各個電氣參量編輯并得到如下曲線。圖3為負載轉(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 則是負載轉(zhuǎn)矩與功率因數(shù)之間變化關(guān)系圖圖4負載轉(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)軸上負載轉(zhuǎn)矩的減小，功 角逐漸減小，且減小趨勢略呈線性趨勢。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，負載轉(zhuǎn)矩的下降，輸入功率隨之下 降，在不計繞組銅耗的情況下，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“if-天詁胸春i圖7負載轉(zhuǎn)矩與無功功率關(guān)系圖2上ss0.00電機額定負載運行時為超前功率因數(shù)，相當于電 網(wǎng)的阻容性負載。減小電動機軸上的負載，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。 由電動機運行向量圖可知，勵磁電流沒變，故感應(yīng)電 動勢不變。功角減小，功率因數(shù)角增大，則變?yōu)楦?超前。300000 00250000.00i圖5負載轉(zhuǎn)矩與輸入功率關(guān)系圖§mcy 養(yǎng)由圖7知，隨著負載轉(zhuǎn)矩的減小，電機的無功功 率隨之增大，則從電網(wǎng)輸入的容性無功功率增大，或 向電網(wǎng)輸送的感性無功功率增大，從而達到調(diào)節(jié)電網(wǎng) 功率因數(shù)、與電網(wǎng)對無功需求跟蹤目的。4結(jié)論本文利用

13、給出的250mw同步電動機計算抽水工 況在額定負載下定子電流，輸入電壓，功率因數(shù)，無 功功率等電氣參數(shù)值，經(jīng)過對比計算值與實驗值基本 達到吻合一致。然后保持額定勵磁電流不變、通過改 變負載轉(zhuǎn)矩計算不同負載狀態(tài)下電機的運行參數(shù)。將 得到的各種靜態(tài)數(shù)據(jù)進行圖示化對比分析，驗證分析 的正確性。為電站能夠與電網(wǎng)對無功需求進行有效跟 蹤提供了重要依據(jù)。負載轉(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，無功功 率將增大。若電網(wǎng)需要感性無功，可通過降低負載轉(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 功則可適當增加負載轉(zhuǎn)矩來調(diào)節(jié)。參考文獻111李官軍，楊波，陶以彬，等

14、抽水蓄能機組靜止變頻器起動控制系統(tǒng)半實物仿真j.電機與控制 應(yīng)用，2011 , 38(1) : 52-59 .2 趙政.抽水蓄能電站發(fā)電電動機的過渡過程c. 抽水蓄能電站工程建設(shè)文集2013 , 203-209.3 戈寶軍，等.靜止變頻器起動抽水蓄能電機初始導(dǎo) 通方案j,電工技術(shù)學(xué)報,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氣隙磁場的分析與計算 j.大電機技術(shù),1998 , (1) : 21-26 .梁艷萍，周封用時步有限元計算汽輪發(fā)電機直軸 瞬態(tài)參數(shù)j.電機與控制學(xué)報j998 ,2(02) : 69-74 . 陶大軍，等.發(fā)電電動機sfc起動強迫換流過程 磁場特性.電機與控制學(xué)報,2014 ,18(01) :26-32 .7 ho seon ryu, et al. a study of synchronous motor drive using static frequency convertercl. 12th international co